Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
X = (e/m)BLl(l/v) и у = (e/m)E!L (1/v2).
Как видно, отклонение частицы от нулевой точки определяется отношением заряда к массе и ее скоростью. Частицы в пучке имеют разные скорости, поэтому на первый взгляд кажется, что, заметив потемнение пластинки на некотором расстоянии от нулевой точки, еще нельзя сказать, чему равно отношение е/т для попавших в эту точку частиц. Однако такой вывод был бы слишком поспешным. Для того чтобы найти на пластинке геометрическое место точек, в которое попадают частицы с одинаковым значением е/т9 исключим из двух последних равенств скорость частиц v. При этом получится уравнение параболы
у=кх29
где коэффициент к зависит от отношения заряда к массе и от
59
величин, определяемых условиями эксперимента:
E
к = -— .
(е/т) В2 IL
Нетрудно догадаться, что в различные точки одной параболы попадают ионы с одинаковым значением е/т, но с разными скоростями, а ионы с другим значением е/т попадают на другую параболу (рис. 12).
Проведя опыт с неоном, Томсон увидел на фотопластинке после проявления две близкие параболы. Определив графически коэффициент к и подставив в последнее соотношение известные значения E9 Ву L9 I и е, он обнаружил, что этим параболам соответствуют ионы с массами, равными приблизительно 20 и 22 а.е.м. Поскольку никаких элементов, кроме неона, в приборе Томсона не было, оставалось сделать вывод, что атомы неона могут иметь массу или 20, или 22. Так были открыты первые стабильные изотопы и определены их массы. В настоящее время известен еще один стабильный изотоп неона с массой 21. Он содержится в естественном неоне в крайне малом количестве, поэтому его и не заметил Томсон.
В последующие годы изотопы были найдены и у других элементов. Более того, оказалось, что у всех элементов имеется по нескольку изотопов: одних только стабильных изотопов насчитывается не одна сотня, а если к ним добавить еще и радиоактивные изотопы, то получится число, значительно превышающее тысячу. Сейчас отдельные изотопы принято обозначать символами соответствующих химических элементов с указанием слева вверху их атомной массы, округленной до целых единиц. Так, изотопы неона, о которых только что шла речь, обозначают символами 20Ne, 21Ne, 22Ne, изотопы урана -символами 238U(UI) и 234U(UII)H т. д. Иногда снизу добавляют еще и порядковый номер элемента, но этого можно и не делать, так как химический символ и порядковый номер элемента говорят, по сути, об одном и том же.
Следует отметить, что атомные массы изотопов гораздо
Q X
Рис. 12. Схема опыта Томсона:
1 - источник ионов неона; 2 -отклоняющаяся система (магнит и конденсатор); 3 - фотопластинка
60
ближе к целым числам, чем известные до этого атомные массы химических элементов. Последние, как нетрудно догадаться, для каждого элемента выражают среднюю атомную массу всех стабильных изотопов с учетом их относительного содержания.
Итак, строение атома, точнее, атомных электронных оболочек, было в основном выяснено уже к 1913 году. Правда, потом в первоначальную картину пришлось внести некоторые изменения. Например, согласно гипотезе Бора электроны вращаются вокруг ядра по круговым орбитам. В 1916 году Зом-мерфельд при объяснении структуры оптических спектров был вынужден предположить, что каждая электронная оболочка состоит из серии электронных орбит, из которых лишь одна имеет форму окружности, а остальные — форму эллипсов различной степени вытянутости. Позднее от понятия определенных орбит, по которым движутся точки-электроны, вообще пришлось отказаться. Согласно современным представлениям электронные оболочки скорее всего похожи на своеобразные "облака" с размытыми границами. Электрон можно обнаружить в любой точке такого облака, причем в тех местах, где оно плотнее, электрон обнаруживается с наибольшей вероятностью, и наоборот. Однако несмотря на значительную неопределенность положения электрона в атоме его энергия в каждом состоянии известна практически совершенно точно. Поэтому сейчас чаще говорят не об электронных орбитах и даже не об электронных оболочках, а об энергетических состояниях электрона в атоме или, как это принято в квантовой механике, об энергетических уровнях атома.
В заключение отметим еще раз, что основанная на квантовой механике теория атома позволила во многих случаях весьма точно рассчитать энергию электронных переходов и провести их классификацию. С помощью этой теории также удалось объяснить строение периодической системы элементов, структуру рентгеновских спектров и многие другие факты, относящиеся к электронным оболочкам атома.
А что было известно об атомном ядре?
СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА
До сих пор речь шла только о самом факте существования атомного ядра и об измерении наиболее общих его характеристик: размера и заряда. Примерно этими данными и ограничивались все сведения ученых о ядре
61
в течение довольно долгого времени. О внутренней структуре ядра в те годы ничего не было известно. И так как никакими силами в ядро проникнуть не удавалось, кое-кто уже начинал сомневаться в возможности разгадать строение ядра.
