4.10: Ядро

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 4.9.1: Демонстрації лекцій на електроні
- 4.11: Атомна структура та ізотопи

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Результати Томсона та інших експериментів мали на увазі, що електрони були складовими всієї матерії, а отже, і всіх атомів. Оскільки макроскопічні зразки елементів виявляються електрично нейтральними, це означало, що кожен атом, ймовірно, містив позитивно заряджену частину, щоб збалансувати негативний заряд своїх електронів. Намагаючись дізнатися більше про те, як позитивні та негативні заряди розподілялися в атомах, Ернест Резерфорд (1871 - 1937) та його колеги провели численні експерименти, в яких частинки α, що випромінюються з радіоактивного елемента, такого як полоній, дозволяли вражати тонкі листи металів, таких як золото або платина.

Малюнок $\PageIndex{1}$ : Принципова схема апарату, використовуваного Гейгером і Марсденом для дослідження відхилення α частинок тонкою металевою фольгою. Коли частинка α потрапляє на екран ZnS, спостерігається спалах світла. Більшість спалахів відбувалися в положенні 1, вказуючи на те, що більшість α частинок пройшли через метал з невеликим відхиленням або без нього. Кілька спалахів на таких позиціях, як номер 4, були інтерпретовані як означають, що кілька α частинок вдарили щось масивне в металеву фольгу і, отже, відскочили майже прямо назад.

Вже було відомо, що частинки α несуть позитивний заряд і швидко подорожували по газах по прямих лініях. Резерфорд міркував, що в твердому тілі, де атоми були щільно упаковані разом, відбуватимуться численні зіткнення α частинок з електронами або з невідомими позитивними частинами атомів. Оскільки маса окремого електрона була досить маленькою, для відхилення частинки α від початкового шляху потрібно було б дуже багато зіткнень, і попередні розрахунки Резерфорда вказували на те, що більшість пройде прямо через металеві цілі або будуть відхилені дуже мало електронами. У 1909 році підтвердження цього очікуваного результату було доручено Гансу Гейгеру і молодому студенту Ернесту Марсдену, який працював над своїм першим дослідницьким проектом.

Відео Експеримент із золотої фольги $\PageIndex{1}$ Резерфорда

Результати роботи Гейгера і Марсдена (з використанням апаратів, конструкція яких схематично показана на малюнку), $\PageIndex{1}$ виявилися досить вражаючими. Більшість α частинок пройшли прямо через зразок або були відхилені дуже мало. Вони спостерігалися за допомогою безперервної люмінесценції екрану ZnS у позиції 1 на схемі. Спостереження, проведені під більшими кутами від початкового шляху частинки a (позиції 2 і 3), виявили все менше спалахів світла, але навіть під кутом майже 180° від початкового шляху (положення 4) було виявлено кілька α частинок, що повертаються назад від цілі. Цей результат вразив Резерфорда. За його власними словами, «Це була найнеймовірніша подія, яка коли-небудь траплялася зі мною в моєму житті. Це було майже так само неймовірно, ніби ви випустили 15-дюймову оболонку на шматок цигаркового паперу, і він повернувся і вдарив вас. При розгляді я зрозумів, що це розсіювання назад повинно бути результатом одного зіткнення, і коли я зробив розрахунки, я побачив, що неможливо отримати щось такого порядку, якщо ви не взяли систему, в якій більша частина маси атома була зосереджена в хвилинному ядрі. » ¹ Інтерпретація Резерфорда експерименту Гейгера і Марсдена схематично показана на рис $\PageIndex{2}$ .

Промінь альфа-частинок показаний у вигляді декількох червоних паралельних ліній, що вказують праворуч. Два стовпчики з трьох кіл кожен представляють атоми в тонкому аркуші металу. Більшість ліній видно, що проходять прямо через або відхиляються дуже мало. Лише кілька альфа-частинок стикаються головою з ядрами і відхиляються назад до джерела. Деякі альфа-частинки значно відхиляються.

Малюнок $\PageIndex{2}$ : Мікроскопічна інтерпретація Резерфорда результатів експерименту Гейгера і Марсдена.

Кількісні розрахунки з використанням цих експериментальних результатів показали, що діаметр ядра становив приблизно одну десятитисячну діаметр атома. Встановлено, що позитивний заряд на ядрі дорівнює + Ze, де Z - число, яке вказує на положення елемента в періодичній таблиці. (Наприклад, H є першим елементом і має Z = 1. Гелій - другий елемент і Z = 2. Двадцятим елементом валентної таблиці, побудованої раніше, є Са, а ядро кожного атома Са, отже, має заряд +20 е = 20 × 1,60 × 10 ^—19 С = 32,0 × 10 ^—19 С). Для того, щоб атом залишався електрично нейтральним, він повинен мати загальну кількість електронів Z поза ядром. Вони забезпечують заряд —Ze, щоб збалансувати позитивний ядерний заряд. Число Z, яке вказує на позитивний заряд на ядрі і кількість електронів в атомі, називається атомним номером.

Значення атомного номера міцно закріпилося в 1914 році, коли Х.Г. Мозлі (1888 по 1915) опублікував результати експериментів, в яких він бомбардував велику кількість різних металевих елементів електронами в електронно-променевій трубці. Вільгельм Рентген (1845 - 1923) раніше виявив, що в такому експерименті виділялися промені, які могли проникати в чорний папір або інші матеріали, непрозорі для видимого світла. Він назвав це незвичайне випромінювання рентгенівськими променями, показниками x невідомим. Мозлі виявив, що частота рентгенівських променів була унікальною для кожного різного металу. Це залежало від атомного номера (але не від атомної ваги) металу. (Якщо ви не знайомі з електромагнітним випромінюванням або терміном частота, прочитайте Природа електромагнітного випромінювання, де вони обговорюються більш повно.) Використовуючи свої рентгенівські частоти, Мозлі зміг встановити правильне впорядкування в періодичній таблиці для таких елементів, як Co і Ni, атомні ваги яких не погоджувалися з положеннями, яким їх присвоїв Менделєєв. Його робота підтвердила обгрунтованість припущення Менделєєва про те, що хімічні властивості важливіше атомних ваг.

¹ Ернест Резерфорд, Розвиток теорії атомної структури, в J. Needham і W. Pagel (ред.) «Передумови для сучасної науки», Компанія Макміллан, Нью-Йорк, 1938.