65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Таким образом, радиация – это поток высокоэнергичных заряженных частиц либо высокочастотное электромагнитное излучение, которые возникают в основном результате ядерных реакций и могут ионизировать вещество, т. е. отрывать электроны от атомов.
Заметим, что радиация в больших дозах чрезвычайно вредна для здоровья. Дело в том, что радиоактивное излучение может разрушать клетки организма или вызывать их мутации, приводящие к появлению рака. Кроме того, ионы, образующиеся в организме под действием радиации, обладают большой химической активностью и могут вступать в непредусмотренные организмом химические реакции и дополнительно его отравлять. Так что лучше держаться подальше от источников радиации.
Вопрос 37. Похожи ли атомы на планетные системы?
Сегодня во многих учебниках и научно-популярных видео изображают атомы как планетные системы, где в самом центре находится тяжелое и положительно заряженное ядро, а вокруг него, как планеты вокруг солнца, вращаются маленькие отрицательно заряженные электроны. Но откуда ученые узнали, что атомы выглядят именно так? Ведь ни в один микроскоп невозможно заглянуть внутрь атома.
История эта началась в 1909 году, когда в лабораторию к Эрнесту Резерфорду (1871–1937), английскому физику новозеландского происхождения, годом ранее уже получившему Нобелевскую премию за исследования распада радиоактивных веществ, приехал 20‐летний студент Манчестерского университета Эрнест Марсден (1889–1970). Резерфорду нужно было его чем-нибудь занять – не может же студент просто так шататься по лаборатории без дела. Поэтому Резерфорд поручил новоприбывшего студента своему ассистенту Хансу Гейгеру (1882–1945) – тому самому, который еще в 1908 году изобрел счетчик Гейгера, прибор для измерения уровня радиации (а точнее – подсчета количества ионизирующих частиц). Нужна была какая-то совсем простая задача, с которой мог справиться даже студент.
В то время Резерфорд изучал рассеяние альфа-частиц[60], проходящих через различные вещества. И нужно было считать количество альфа-частиц, отклоняющихся на разные углы при прохождении сквозь тонкую золотую фольгу. Эту задачу он и поручил Гейгеру и Марсдену. Ничего революционного от этой работы Резерфорд не ожидал, ведь в то время среди физиков была принята модель атома Дж. Дж. Томсона (так называемая пудинговая модель), согласно которой атом представлялся сферой размером 10–8 см (одна стомиллионная доля сантиметра), по всему ее объему равномерно распределен положительный заряд с небольшими вкраплениями отрицательно заряженных электронов (наподобие изюма в пудинге или булке). В соответствии с этой моделью, альфа-частицы должны были легко проходить сквозь такие атомы, и каких-то больших отклонений от исходной траектории не должно было происходить.
Под руководством Гейгера Марсден начал наблюдать и подсчитывать альфа-частицы, рассеивающиеся в разных направлениях. Как и предполагалось, большинство частиц пролетали сквозь фольгу практически без рассеяния, отклонялись на небольшие углы. Однако через какое-то время экспериментаторы заметили, что некоторые из альфа-частиц (примерно одна из 8000) «отскакивают» в противоположную сторону. И это было действительно странно. Собрав статистически достаточное число таких случаев, Гейгер и Марсден поделились своими наблюдениями с Резерфордом, на что тот ответил: «Это просто невозможно!» Это было так же немыслимо, как если бы при выстреле из пушки по листу бумаги пушечный снаряд отскочил от него, как резиновый мячик от стенки. Ведь скорость альфа-частиц, бомбардирующих фольгу, была порядка 20 000 км/ч. Это безусловно указывало на необходимость пересмотра существующей модели атома.
Резерфорд в 1911 году изучил распределение альфа-частиц, рассеянных на разные углы, – этот раздел физики называется теорией рассеяния. Оказалось, что такое распределение возможно только при условии, что весь положительный заряд атома не распределен равномерно по всему его объему, а сконцентрирован в очень небольшой его области, названной ядром, размером 10–12 см (одна триллионная доля сантиметра), т. е. ядро оказалось в 10 000 раз меньше размеров самого атома. Поэтому почти все альфа-частицы пролетали сквозь атом практически без отклонения, и лишь небольшая их часть, которая сталкивалась с ядром, отражалась в обратную сторону (ведь альфа-частицы тоже несут положительный электрический заряд, а значит, всегда будут отталкиваться от положительно заряженного ядра).
Где тогда в этом атоме «сидят» электроны? Резерфорд предположил, что они не «сидят» на месте, а вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Только планеты удерживаются на своих орбитах за счет гравитационного притяжения к Солнцу, а электроны – за счет электрического притяжения к ядру (ведь у электронов и ядер заряды разных знаков). Так родилась планетарная модель атома.
Однако с точки зрения классической физики у этой модели были серьезные недостатки. Из уравнений классической электродинамики следует, что при движении по круговым орбитам (как и при любом другом криволинейном движении, то есть движении с ускорением) заряженные частицы должны излучать электромагнитные волны и, соответственно, терять часть своей энергии. Таким образом, электроны, вращающиеся вокруг ядра, должны за миллионную долю секунды излучить всю свою энергию и упасть на это ядро. Но в реальности мы этого, к счастью, не наблюдаем – атомы остаются стабильными, а электроны никуда не падают. А значит, нужна была другая модель атома.
Такую модель предложил в 1913 году тогда еще совсем молодой датский физик, а впоследствии один из основоположников квантовой механики Нильс Бор (1885–1962). Это была еще не совсем квантовая теория, так что теперь ее называют «полуклассической теорией Бора». Она строится на двух постулатах.
Первый постулат Бора: электроны в атоме могут находиться только в особых стационарных состояниях (т. е. могут двигаться только по определенным орбитам). Каждому из таких состояний отвечает определенное значение энергии. В стационарном состоянии электроны не излучают электромагнитных волн.
Это утверждение явно противоречит классическим представлениям. Почему это энергия электрона не может принимать любые значения, а существует только ограниченный набор разрешенных энергий? Почему электроны не могут двигаться по любым орбитам вокруг ядра, как, например, планеты вокруг Солнца или спутники вокруг Земли? Почему, двигаясь по орбите с ускорением, электроны в атоме не излучают? А нипочему! Теория Бора просто это постулировала, взяла как аксиому, не требующую доказательства. И лишь спустя полтора десятилетия физикам удастся понять, что все эти постулаты являются следствиями решения уравнения Шрёдингера. Но об этом мы поговорим немного позже.
Второй постулат Бора: излучение кванта света происходит при переходе электрона с одной (более высокой) орбиты на другую (более низкую). Энергия такого кванта в точности равна разности энергий этих двух уровней. Аналогично, при поглощении электроном кванта света он «перескакивает» на более высокую орбиту. А поскольку у каждого атома существует лишь определенный набор энергетических уровней (набор разрешенных орбит), то электрон способен поглотить только такие фотоны, энергия которых в точности равна разности энергий любых двух энергетических уровней. Поэтому даже если в атом «врежется» фотон, энергия которого хоть немного отличается от этого
