Enrique Alvarez - Масса атомов. Дальтон. Атомная теория

Открытие электрона и определение его как составляющей частицы атома к 1900 году стало еще одним ударом, который перенесла теория Дальтона. Речь уже не просто шла о способности некоторых тяжелых атомов излучать радиоактивность и превращаться в более легкие элементы. Все без исключения атомы образованы из более мелких частиц. То есть атомы делимы. Но атомные идеи Дальтона, разработанные 100 лет назад, оставались справедливыми для огромного количества химических реакций.

Первая атомная модель была предложена Томсоном. Он представлял атом в виде пудинга (или булочки с изюмом): основа состоит из большого положительного заряда, а сверху разбросаны отрицательно заряженные электроны (см. рисунок).

В этой модели на периферии положительно заряженного атома равномерно распределены электроны, в результате чего заряды уравновешиваются.

Модель Томсона (1904): отрицательно заряженные электроны равномерно распределены в положительно заряженной оболочке атома. Результирующий заряд — нейтральный.

Упрощенная модель повлекла за собой несколько проблем. Первая заключалась в том, что эта модель не объясняла радиоактивности. Резерфорд показал, что тяжелые элементы Беккереля и супругов Кюри излучают три вида радиоактивных лучей. Для простоты он назвал их альфа, бета и гамма. Резерфорд также показал, что электроны — это бета-частицы. До сих пор все было понятно, но таинственные альфа-частицы тоже взаимодействовали электрически, хотя и противоположным образом по сравнению с бета-частицами. Соответственно, их заряд должен быть положительным. Кроме того, они значительно меньше отклонялись, а значит, должны быть гораздо более тяжелыми, нежели электроны. Резерфорд рассчитал, что масса альфа-частиц в четыре раза больше массы атома водорода.

Чтобы покончить с путаницей, в 1908 году Резерфорд отделил альфа-частицы, поместив радиоактивный материал в стеклянную трубку, в которой находилась другая, более тонкая трубка. Первый барьер преодолевали только альфа-частицы. Отделив их, он выяснил их электрический заряд. Так появились спектральные линии гелия. Резерфорд знал, что один из загадочных видов радиоактивности образован положительными частицами гелия (второго элемента периодической таблицы), испускаемыми из его атомного ядра.

В том же 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии, однако остался неудовлетворен — не самой премией, а областью, в которой она была вручена. Самый важный свой опыт ученый провел между 1910 и 1911 годами. Вместе со своим немецким ассистентом Гансом Гейгером, более известным как изобретатель счетчика радиоактивных частиц, он пропустил ионизированные атомы гелия — альфа-частицы — через лист золотой фольги. К огромному удивлению исследователей — и к удивлению всего человечества, — некоторые частицы отскакивали обратно: можно сказать, что ученые обстреливали тонкий лист бумаги, но сквозь него проходили далеко не все пули. Вывод: атом практически пуст, но в центре него содержится очень плотное ядро.

Историки приписывают Резерфорду также открытие в 1918 году протона ("первый") — позитивно заряженной субатомной частицы. Хотя, наверное, следовало бы присвоить славу ее открытия (хотя бы частично) немецкому физику Ойгену Гольдштейну (1850-1930). В 1886 году Гольдштейн осуществил похожий на эксперимент Томсона опыт с перфорированным катодом и выделил частицу, масса которой была сходна с массой атома водорода, но позитивно заряженную. Он принял эту частицу за простой ион.

Резерфорд повторил опыт, бомбардируя атомы азота альфа-частицами, и обнаружил сверкание, которое мог производить только азот. Эта реакция стала первым превращением, осуществленным искусственно, в отличие от естественной радиации. Мы можем представить ее сегодня как физическую реакцию со следующей формулой:

4He + 14N → 17O + 1Н,

в которой величины соответствуют атомной массе. Слева направо ядро гелия (2 протона и 2 нейтрона) взаимодействует с ядром водорода (7 протонов и 7 нейтронов), и образуются ядро кислорода-17 (изотоп с 8 протонами, но 9 нейтронами) и ядро водорода (1 протон). Наверное, это была первая алхимическая реакция в истории.

Модель атома Резерфорда (см. рисунок на странице 134) с электронами на периферии и протонами, содержащимися в плотном ядре, превратилась для физиков в неразрешимую проблему.