Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Согласно измерениям Мозли, атомное число кальция равно 20. Поскольку это же порядковый номер кальция в периодической таблице, то очевидно, что неизвестных элементов легче кальция в таблице нет. Во времена Мозли не хватало четырех атомных номеров, но соответствующие элементы с тех пор были обнаружены. Периодическая система сейчас содержит 117 известных элементов, 94 из которых формируются на Земле естественным путем. Нептуний (93) и плутоний (94) найдены на Земле в следовых количествах. Более тяжелые элементы очень нестабильны и производятся искусственно в ускорителях частиц. Самый легкие из них — технеций (43) и прометий (61), они очень редко встречаются на Земле и тоже входят в эту группу искусственных элементов.
Открытие электрона.Атомное число оказалось связано с электрическими характеристиками атома; впервые это обнаружилось в процессе электролиза. Этот метод открыли в 1800 году Уильям Николсон и Энтони Карлайл, которые опустили в воду два провода, присоединенные к разным полюсам электрической батареи. При этом они обнаружили, что вокруг отрицательного электрода начал выделяться газообразный водород, а вокруг положительного электрода — кислород. Стало очевидно, что в этом процессе молекулы воды расщепились на составные элементы (рис. 16.4).
Гемфри Дэви экспериментировал с электролизом, а его коллега по Королевскому институту Майкл Фарадей дал следующее объяснение этому явлению: малая часть молекул воды всегда диссоциирована на две электрически заряженные группы — на атомы водорода с положительным зарядом и на молекулы, состоящие из водорода и кислорода, с отрицательным зарядом. Фарадей назвал эти заряженные частицы «ионами». Провод, соединенный с отрицательным электродом, притягивает положительно заряженные ионы водорода. Касаясь провода, они отбирают у него отрицательный заряд и превращаются из ионов в нейтральные атомы водорода. После этого водород начинает пузырями выходить из воды. Немного более сложный процесс происходит с кислородом у провода, соединенного с положительным полюсом батареи.
Рис. 16.4. Электролиз. Два провода соединены с источником постоянного тока (батареей) и помещены в воду. На положительном электроде (аноде) выделяется газообразный кислород и собирается в трубке, а на катоде выделяется водород. Как показал Фарадей, количество выделившегося газа прямо пропорционально величине электрического заряда, прошедшего через провод. Кроме того, согласно закону Авогадро объем водорода вдвое превышает объем кислорода.
Заряд, передающийся атомам жидкости, замещается новым зарядом посредством тока, текущего от электрической батареи. Собрав и изучив возникшие в этом процессе газы, можно определить количество газа на единицу заряда этого тока. Имея дело с водородом, мы можем вычислить отношение массы к заряду у ионов водорода. Если в качестве единиц массы и заряда использовать килограммы и кулоны, то это отношение примерно равно 10-8. При этом невозможно по отдельности определить массу и заряд, но только лишь их отношение.
Мы можем определить массу иона водорода, играющего роль единицы атомного веса, если узнаем его заряд, но во времена Фарадея это было невозможно. Неясно было, какие частицы несут заряд. Для единичного заряда при электролизе в 1874 году Джордж Стоней предложил название электрон. Частицы с таким зарядом (и названные так же) открыл в 1897 году Джозеф Томсон (рис. 16.5).
Рис. 16.5. Джозеф Томсон (1865–1940), открывший электрон.
Томсон учился в Кембриджском университете и, заняв вторую ступень на экзамене по математике, обеспечил себе место в Тринити-колледже, где работал и Ньютон. Всю оставшуюся жизнь Томсон трудился в этом колледже и под конец стал его ректором. Томсон начинал как математик, поэтому его назначение в 1884 году в Кавендишскую лабораторию на должность профессора экспериментальной физики оказалось неожиданным. Он никогда не занимался экспериментами; один из его ассистентов говорил, что «у него были очень неуклюжие руки, поэтому я старался держать его подальше от эксперимента». Тем не менее Томсон стал одним из ведущих физиков-экспериментаторов, поскольку обладал интуицией в выборе направления исследований.
Получив должность профессора в Кавендише, Томсон начал изучать электрические разряды в вакуумной трубке. Наиболее знакомый нам разряд — это молния, но ее трудно использовать для опытов! Еще в XVIII веке заметили, что можно создавать мощные разряды в стеклянной трубке, из которой откачан воздух. Цвет разрядов зависит от того, какой газ содержится трубке; это используют в неоновой рекламе и для других целей.
Генрих Гейсслер (1814–1879) изобрел насос, способный уменьшить давление газа внутри трубки до одной тысячной доли атмосферы. Используя такой насос, Юлиус Плюккер (1801–1868) изготовил разрядную трубку и подсоединил ее к мощному источнику электрического напряжения. Свечение в трубке прекратилось, за исключением окрестности отрицательного электрода (катода), как если бы некоторые частицы, выброшенные из катода, были причиной свечения. После этого они пролетали по трубке и собирались на положительно заряженном электроде. Эуген Гольдштейн (18501930) продемонстрировал, что материал, из которого изготовлен катод, не имеет никакого значения: следовательно, катодные лучи не являются атомами, вырванными из катода.
Плюккер показал, что катодные лучи можно отклонить, используя магнит, то есть это должны быть заряженные частицы. Затем Томсон, пропуская частицы через магнитное или электрическое поле, научился менять направление их полета. Дальше он позволил потоку частиц двигаться свободно, вплоть до столкновения с противоположным концом трубки (рис. 16.6). Измеряя расстояние точки столкновения от центральной оси трубки, Томсон смог вычислить как скорость, так и отношение массы к заряду частиц. Подобный поток частиц возникает и в телевизионной трубке, где поток катодных лучей быстро бегает по экрану, создавая изображение. В телевизионной трубке для управления пучком катодных лучей используется электрическое поле.
Рис. 16.6. Схема эксперимента Томсона. Частицы вылетают из катода С. Их поток отклоняется от прямолинейной траектории полем, созданным пластинами D u E. (Из публикации Томсона 1897 года.).
В своей статье, напечатанной в Philosophical Magazine («Философский журнал») в 1897 году, Томсон привел вычисления, доказывающие, что скорость катодных лучей составляет около 10 % скорости света, а отношение массы к заряду электрона близко к 10-11 кг/Кл. Предположим, что ионы водорода и катодные лучи имеют одинаковый заряд. Поскольку отношение массы к заряду у иона водорода составляет 10-8 кг/Кл, масса заряженных частиц катодных лучей не может быть больше 1/1000 массы иона водорода (современное значение: 1/1840). Томсон делает вывод:
«В катодных лучах мы имеем вещество в новом состоянии — состоянии, в котором дробление вещества зашло намного дальше обычного газообразного состояния; в состоянии, в котором все вещество… стало субстанцией одного и того же сорта; той самой субстанцией, из которой сформированы все химические элементы».
К его результатам вначале отнеслись с недоверием, но последовавшие за этим эксперименты подтвердили существование электрона. Томсон и его коллеги измерили заряд электрона: 10-10 Кл. Теперь мы знаем более точное значение 1,602 х 10-19 Кл. При современном значении отношения массы к заряду 0,57 x 10-11 кг/Кл мы можем сделать вывод, что вес электрона составляет всего 9 x 10-28 г. Атом водорода примерно в 1840 раз тяжелее.
К атомному ядру: радиоактивность.Заряд электронов отрицательный, но атомы, которые, очевидно, включают в себя электроны, нейтральны. Значит, где-то в атоме должен быть положительный заряд, чтобы нейтрализовать отрицательные электроны. Следующей задачей стало определение того, где внутри атома расположен положительный заряд. Томсон предложил модель «булочки с изюмом», согласно которой положительный заряд заполняет весь атом, а электроны в нем как изюминки в булочке. Японский ученый Хантаро Нагаока (1865–1950) предположил, что в середине атома находится положительно заряженная частица, вокруг которой обращаются более легкие электроны, как планеты вокруг Солнца. В обоих случаях притяжение между положительным и отрицательным зарядами удерживает электроны в атоме.
Выяснить, какая из этих двух моделей верна, выпало Эрнесту Резерфорду. Он вырос в Новой Зеландии и приехал учиться в Кавендишскую лабораторию в 1895 году. Через три года он стал профессором в университете Мак-Гилла, в Канаде, где и работал до 1906 года. Затем он перебрался в Манчестер, который был одним из ведущих центров физических исследований. Там он занялся изучением структуры атома. В 1919 году Резерфорд вернулся в Кавендишскую лабораторию, став ее директором (рис. 16.7).
