[ Pobierz całość w formacie PDF ]
.Dopiero na przełomie XIXi XX wieku eksperymenty Thomsona i Rutherforda pokazały, \e uwa-\ane wcześniej za niepodzielne atomy w istocie składają się z jądra ato-mowego, obdarzonego ładunkiem dodatnim, oraz elektronów posiadają-cych ładunek ujemny.Pózniejsze doświadczenia pokazały, \e tak\e jądroatomowe mo\na podzielić na mniejsze elementy na protony o dodat-nim ładunku i obojętne neutrony.Współcześnie wiemy, \e równie\ tecząstki mo\na podzielić na jeszcze mniejsze fragmenty, zwane kwar-kami.Istnienie kwarków i występujących pomiędzy nimi oddziaływańwydaje się w pełni wyjaśniać budowę materii.Zagadnienia te wykra-czają jednak poza ramy niniejszego skryptu.W poni\szym rozdzialeograniczymy się więc do przedstawienia uproszczonego modelu budowyatomu, jądra atomowego oraz przemian jądrowych, określanych równie\jako zjawiska promieniotwórczości.ElektronW rozdziale poświęconym elektrostatyce wspominaliśmy ju\ o istnieniuelementarnego ładunku elektrycznego ładunku elektronu.Naładowanieciała ładunkiem ujemnym oznacza występowanie w nim nadmiaru elek-tronów, naładowanie ładunkiem dodatnim występowanie niedoboruelektronów.Masę i ładunek elektronu pozwoliły wyznaczyć dwa ekspe-rymenty; Thomsona z 1897 roku i Milikana z 1909 roku.W pierwszymeksperymencie równoległą wiązkę elektronów skierowano w obszarskrzy\owanych pól elektrycznego i magnetycznego.Aadunek porusza-jący się w polu magnetycznym doznaje odchylenia na skutek działaniasiły Lorentza.Je\eli przeprowadzimy pomiar tego odchylenia przy wyłą-czonym i włączonym dodatkowo polu elektrycznym o znanej wartościnatę\enia, to mo\liwe będzie wyznaczenie stosunku ładunku elektronu q(e) do jego masy m: q m = 1.7 �"1011 C kg.W drugim eksperymencieStrona 144144144144 FIZYKA ATOMU I FIZYKA JDRA ATOMOWEGOdrobne kropelki oleju, naładowane poprzez jonizację promieniowaniemrentgenowskim, były rozpylane wewnątrz komory wyposa\onej w paręelektrod wytwarzających pole elektryczne.Okazało się wówczas, \e ła-dunek elektryczny znajdujący się na kropelkach przybiera wartości bę-dące wielokrotnością pewnej wielkości, którą nazywano ładunkiem ele-mentarnym, ładunkiem elektronu e:e =1.602 �"10-19C(19.1)Znając ładunek elektronu i stosunek ładunku elektronu do jego masymo\emy wyznaczyć jego masę:-31me = 9.109 �"10 kg (19.2)W doświadczeniu Thomsona poza wiązką elektronów, badana była rów-nie\ wiązka zjonizowanych atomów wodoru H+.Takie zjonizowaneatomy wodoru niosą ładunek elektryczny równy ładunkowi elektronu,ale o przeciwnym znaku i nazywane są protonami.Stosunek q/m wyzna-czony na podstawie pomiaru odchylenia toru lotu w polu magnetycznymwykazał, \e masa protonu jest około 2000 razy (1840 razy) większa ni\masa elektronu.Modele budowy atomuThomsona i RutherfordaOpierając się na wynikach doświadczeń polegających na odchylaniu na-ładowanych cząstek w polu magnetycznym, Thomson zaproponowałmodel budowy atomu oparty na następujących zało\eniach:Masa i ładunek dodatni są rozło\one równomiernie w całej ob-jętości atomu, tworząc chmurę ładunku dodatniego.Elektrony znajdują się wewnątrz tej chmury ładunku dodat-niego i równie\ są rozmieszczone równomiernie.Model ten, nazywany równie\ \artobliwie modelem rodzynek w cie-ście dobrze wyjaśniał obojętność elektryczną atomu.Taki model mate-rii zbudowanej z kulek o ró\nej gęstości i promieniu, odpowiadają-cych ró\nym pierwiastkom był stosunkowo prosty i obrazowy i z tychwzględów zyskał początkowo du\ą popularność.Strona 145145145145 ROZDZIAA 19Rysunek 19.1.Schematyczne przedstawienie modeli budowy atomu:Thomsona (z lewej) i Rutherforda (z prawej)Nowych wskazówek dotyczących budowy atomu dostarczył ekspery-ment przeprowadzony przez współpracowników Rutherforda Geigerai Marsdena.W eksperymencie tym w kierunku cienkiej złotej folii kiero-wano wiązkę cię\kich cząstek, naładowanych dodatnio.Były to zjoni-zowane (pozbawione elektronów) jądra helu He2+, określane równie\mianem cząstek �.Cząstki takie mają w przybli\eniu 4 razy większąmasę, ni\ zjonizowany atom wodoru H+ i dwa razy większy ładunek.Okazało się, \e w eksperymencie tym zarejestrowano nie tylko cząstki�, które przeszły przez złotą folię, lub nieznacznie zmieniły tor lotu, alerównie\ cząstki rozproszone na folii w ró\nych kierunkach, w tymcząstki powracające w kierunku zródła.Okazało się równie\, \e częśćcząstek � przelatuje przez złotą folię nie doznając \adnego oddziaływa-nia z atomami złota Wynik taki stał w wyraznej sprzeczności z modelemThomsona rodzynek w cieście .Wedle tego modelu bowiem tak rów-nomiernie rozło\ona w przestrzeni chmura ładunku dodatniego, zobojęt-niona przez znajdujące się wewnątrz elektrony, nie mogłaby wywrzeć nacię\kie cząstki dodatnie dostatecznego oddziaływania, \eby zmienić kie-runek ich lotu na przeciwny nale\ałoby się raczej spodziewać stopnio-wego wytracania energii przez cząstki � poruszające się w materii.Od-bicie wsteczne wskazywało tymczasem na zderzenie cząstek � z nie-wielkim, ale masywnym obiektem o ładunku dodatnim.Na podstawiewykonanych pomiarów Rutherford oszacował rozmiar tego masywnegoobiektu, który został nazwany jądrem atomowym.Okazało się, \e roz-5miar ten jest około 10 razy mniejszy ni\ rozmiar całego atomu.A wiecatomy są w istocie bardzo puste odległość pomiędzy elektronami,tworzącymi powłokę atomu a jego jądrem jest wielokrotnie większani\ rozmiar samego jądra.Strona 146146146146 FIZYKA ATOMU I FIZYKA JDRA ATOMOWEGOModel atomu wynikający z doświadczeń Rutherforda, nazywany rów-nie\ modelem planetarnym, mo\emy opisać następująco:Większość masy atomu i jego ładunek dodatni skupione sąw jądrze atomowym.Elektrony krą\ą dookoła jądra na orbitach kołowych, przycią-gane siłami elektrostatycznymi.Promień atomu jest związany z promieniem orbit elektrono-wych.Rozmiar jądra jest pięć rzędów wielkości mniejszy ni\rozmiar atomu.Powy\szy model Rutherforda budowy atomu w poprawny sposóbwyjaśniał obojętność elektryczną atomów oraz poprawnie określał 15rozmiar jądra atomowego (rzędu 10 m) oraz powłok elektronowych 10(rzędu 10 m).Podstawowym problemem modelu Rutherforda była kwestia stabilnościatomów.Je\eli bowiem elektrony poruszają się po kołowych orbitachwokół jądra atomowego, pod wpływem oddziaływania elektrostatycz-nego, doznają wówczas przyspieszenia dośrodkowego.Ale, jak ju\ wie-lokrotnie wspominaliśmy zgodnie klasyczną fizyką falową, ładunek(elektron) poruszający się z przyspieszeniem staje się zródłem fal elek-tromagnetycznych.W ten sposób elektron na orbicie elektronowej powi-nien tracić energię, poruszać się coraz wolniej po orbicie o coraz mniej-szym promieniu (po spirali) a\ wreszcie spaść na jądro atomowe.Czyliotaczająca nas materia powinna być niestabilna.Ponadto podczas ta-kiego ruchu po spirali płynnie zmieniać się powinna prędkość elektronuoraz przyspieszenie dośrodkowe, jakiego doznaje elektron
[ Pobierz całość w formacie PDF ]