15-б. Радиоактивность и сложное строение атомов
§ 15-б. Радиоактивность и сложное строение атомов
В 1897 году англичанин Д. Томсон, изучая прохождение тока через разреженные газы и вакуум, установил, что во всех атомах есть отрицательно заряженные частицы — электроны. Это стало первым экспериментальным подтверждением сложного строения атомов.
Примерно в это же время, в 1896 году, французский учёный А.Беккерель обнаружил, что любые минералы, в состав которых входят соединения урана, испускают неизвестное излучение, которое впоследствии назвали радиоактивным. Излучение «засвечивало» фотопластинку, даже если она была завёрнута в светонепроницаемую бумагу. Сам по себе этот факт не являлся удивительным, поскольку за год до этого были открыты рентгеновские лучи, которые тоже «засвечивали» фотопластинку. Так чем же примечательно открытие Беккереля?
Выяснилось, что соединения урана и некоторых других химических элементов испускают излучение месяцами и годами без видимых источников энергии. Оно, как казалось на первый взгляд, не подчиняется закону сохранения энергии и потому привлекло внимание физиков.
В 1899 году британский физик Э.Резерфорд, исследуя радиоактивное излучение, обнаружил, что оно состоит из двух компонентов. Первый слабо отклоняется в сторону отрицательно заряженной пластины и легко поглощается даже листом бумаги, а второй сильно отклоняется к положительно заряженной пластине и проникает даже через металлическую фольгу. Эти компоненты Резерфорд назвал α-лучами и β-лучами (см. рисунок). Год спустя француз П.Виллард открыл также и γ-лучи, не отклоняющиеся в электрических и магнитных полях и обладающие значительно большей проникающей способностью, чем лучи первых двух видов.
Многочисленными опытами в первом десятилетии XX века было установлено, что α-лучи — это поток ионов гелия, β-лучи — поток электронов, γ-лучи — электромагнитные волны с длиной волны, меньшей, чем у рентгеновского излучения. Стало ясно, что радиоактивность — явление, протекающее не на уже хорошо изученном физиками и химиками «уровне» молекул и атомов, а внутри них. Для справки: наличие ядер в атомах было открыто только во втором десятилетии XX века. (см. § 15-в).
В конце XIX — начале XX века к исследованию радиоактивности присоединилось множество учёных. Было выяснено, что интенсивность излучения урансодержащих минералов не зависит от температуры, освещённости и агрегатного состояния веществ. Французские учёные П.Кюри и М.Кюри установили, что соединения тория тоже радиоактивны. Вскоре они открыли два новых радиоактивных элемента — полоний и радий. В результате «заполнились» две прежде пустовавшие клетки таблицы Менделеева (см. рисунок). В итоге учёные пришли к пониманию, что интенсивность радиоактивного излучения любого вещества зависит только от количества и типа радиоактивных атомов в нём.
В 1902 году Э.Резерфорд и его соотечественник Ф.Содди показали, что в ходе явления радиоактивности атомы урана могут распадаться на атомы гелия и тория. Это подтверждало, что атомы имеют сложный состав, позволяющий им превращаться друг в друга. Вероятно, именно превращения атомов высвобождают энергию, которую уносит радиоактивное излучение. Но каков этот «сложный состав» атомов? Вопрос оставался без ответа.
Протон и нейтрон, а также ядро атома ещё не были открыты, поэтому физики строили модели на основе имеющихся сведений. Наиболее известна модель, предложенная Д.Томсоном, вошедшая в историю под названием «пудинг с изюмом». Атом считали положительно заряженным по всему объёму шаром, внутри которого располагались электроны. Чтобы объяснить возникновение линейчатых спектров (см. § 14-й), электроны считали колеблющимися и испускавшими излучения с сответствующими частотами. Модель Томсона многое объясняла, но не подтвердилась опытами и была вытеснена ядерной моделью, а впоследствии — планетарной моделью строения атома (см. § 15-в).