Головна » 2013 » Грудень » 5 » Спочатку був атом…
01:01
Спочатку був атом…
Без сумніву, багато хто з нас восени 2008 р. чув про запуск найпотужнішої фізичної установки сучасності — великого адронного колайдера.
Витрати на його створення були величезними: Німеччина, Франція, Японія мусили об'єднати свої зусилля, щоб побудувати це диво техніки. А почався процес вкладання «великих коштів» у фізику ще в 40-х рр. минулого століття, коли вчені винайшли способи розщеплення атомного ядра.
Про те, навіщо розщеплювати атомні ядра і чому уряди різних країн у великих обсягах фінансують досліджування першооснови матерії, ми поговоримо далі.

Про ядерну фізику
Історія фізичної науки налічує майже 2500 років, але тільки минулого століття фізики перетворилися з поважних викладачів та кабінетних учених на консультантів урядів. Кількість фахівців-фізиків збільшилася в сотні разів, були створені величезні заводи для виробництва фізичних приладів і обладнання. І сталося це передусім завдяки успіхам ядерної фізики.
Ядерна фізика — це такий розділ фізики, який вивчає структуру і властивості атомного ядра, процеси, що в ньому відбуваються, та механізми його перетворень.
Результати втілилися сьогодні у, так званих, радіаційних технологіях, які застосовують у медицині, геології, сільському господарстві та в інших галузях. Проте найважливіша сфера застосування досягнень ядерної фізики — отримання енергії. За короткий проміжок часу в розвинутих країнах світу частка електричної енергії, що одержують за рахунок розщеплення атомних ядер, стала дорівнювати десяткам відсотків, а в деяких країнах, у тому числі в Україні, сягнула половини загального видобутку енергії.
Стрімкий розвиток ядерної енергетики пов'язаний з високою ефективністю ядерного «палива». Наведемо такий приклад. Для забезпечення безперервної роботи протягом доби звичайної електричної лампи потужністю 100 Вт необхідно понад 8,6 МДж енергії. Щоб отримати цю енергію на гідроелектростанції, необхідно, щоб на гідротурбіну надійшло приблизно 120 т води, щоб отримати її на тепловій електростанції, треба спалити десь 1 кг вугілля. А щоб ту саму енергію одержати на АЕС, слід взяти порошинку урану масою лише 0,3 мг і розщепити ядра її атомів. Погодьтеся, що різниця вражаюча.
На думку фізиків, коли будуть розгадані таємниці будови мікрочастинок, які входять до складу ядра, відкриються ще більші можливості. Саме тому уряди різних держав активно підтримують фундаментальні наукові дослідження в галузі ядерної фізики.

Будова атома та атомного ядра
Згадаємо будову атома. Відомо, що атом складається з ядра та електронної хмари навколо. Ядро, у свою чергу, містить частинки двох видів: протони, які мають позитивний електричний заряд, і нейтрони — частинки, які не мають заряду*. Маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона і майже у 2000 разів більша за масу електрона. Протони й нейтрони, що входять до складу ядра атома, називають нуклонами. Сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним (або масовим) числом та позначають символом А.
Атом є електронейтральним, тобто сумарний заряд протонів, що містяться у ядрі, дорівнює сумарному заряду електронів, що обертаються навколо ядра. А оскільки заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона, то зрозуміло, що в атомі кількість протонів дорівнює кількості електронів.
Кількість протонів у ядрі називають протонним (або зарядовим) числом та позначають відповідним символом. Його легко визначити, скориставшись Періодичною системою хімічних елементів Д. І. Менделєєва. Порядковий номер елемента у періодичній таблиці відповідає кількості протонів у ядрі (протонному числу).
*Уперше припущення про протонно-нейтронну будову ядра атома висловив у 1932 р. радянський учений (уродженець Полтавщини) Д. Д. Іваненко. У тому ж році на основі даного припущення німецький учений В. Гейзенберґ побудував теорію атомного ядра.
Знаючи протонне і нуклонне числа ядра хімічного елемента, можна визначити кількість нейтронів у ядрі цього елемента
При позначенні ядра атома хімічного елемента перед символом елемента вверху вказується нуклонне число, а внизу — протонне число.
Слід звернути увагу на те, що ядра атомів того самого хімічного елемента можуть відрізнятися кількістю нуклонів. Відомо також, що різновиди даного хімічного елемента, атоми яких мають у своїх ядрах однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів, називають ізотопами даного хімічного елемента.
Хоча в ядрі зосереджена майже вся маса атома, розмір ядра у порівнянні з атомом надзвичайно малий. Якщо уявити, що вдалося збільшити атом до розміру великого стадіону. Розмір ядра такого атома теж зросте. Наскільки? Обчислення показують, що в цьому випадку діаметр ядра атома приблизно дорівнюватиме розміру мурахи, що повзе по траві стадіону.

Про класичний дослід Резерфорда
Що ж до того, як саме вчені дізналися про будову атома, зважаючи на його малий розміри.
У 1908-1911 рр. досвідченим дослідником Гансом Ґейґером та молодим аспірантом Ернестом Марсденом під керівництвом англійського фізика Ернеста Резерфорда було здійснено серію дослідів. Для дослідів учені використали речовину, із якої з великою швидкістю вилітали позитивно заряджені частинки і отримали вузький пучок а-частинок, який спрямовували на тонку золоту фольгу. Пристрій містив також екран, покритий спеціальною речовиною. Якщо в такий екран улучала а-частинка, то в місці її влучання відбувався слабкий спалах світла. Учені спостерігали спалахи за допомогою мікроскопа і реєстрували попадання в екран кожної а-частинки.
У результаті дослідів було з'ясовано, що переважна більшість а-частинок проходить крізь золоту фольгу, причому деякі з них відхиляються від початкової траєкторії. А от приблизно одна з 20000 частинок відскакує назад, начебто натикається на якусь перешкоду у фользі. Останнє виявилось найбільш вражаючим для вчених.
Зрозуміло, що Е. Резерфорд не міг бачити внутрішню структуру атома, тому він залучив логіку. Якщо позитивний заряд і маса рівномірно розподілені по всьому об'єму атома (а саме таке уявлення про атом існувало на той час у фізиці), то всі а-частинки повинні пролетіти крізь фольгу, практично не відхиляючись, адже їхня енергія колосальна. Приблизно так буде, якщо з гармати стріляти впритул у копицю сіна або кидати м'ячик через павутиння.
Якщо ж позитивний заряд і маса зосереджені у невеликому об'ємі всередині атома, а навколишнім простором є «порожнеча», то бомбардування а-частинками нагадуватиме кидки здалеку тенісним м'ячиком у металеву банку, закріплену на жердині. Тільки в мізерній кількості випадків м'ячик відскочить від банки й повернеться до того, хто кидав, у решті ж спроб він пролетить повз ціль. Як бачимо, другий варіант значно більше підходить для пояснення результатів експерименту.
Логічні розмірковування й дані експериментів практично збігаються, якщо вважати, що вся маса атома зосереджена у важкому позитивно зарядженому ядрі, розмір якого у 100 000 разів менший, ніж розмір самого атома.
Тому після зазначених дослідів Резерфорд у 1911 р. висунув ядерну модель будови атома. Згідно з цією моделлю атом складається з позитивно зарядженого ядра, оточеного негативно зарядженими частинками — електронами. При цьому ядро займає лише невеликий об'єм усередині атома, але в ньому зосереджена мало не вся маса атома. Електронна оболонка займає майже весь об'єм атома, але її маса є незначною порівняно з масою атома.
Так і з’явилася в науці інформація про атом та атомне ядро.

Тетяна Мартинова
Категорія: Історія науки і техніки | Переглядів: 248 | Додав: | Рейтинг: 5.0/1
Всього коментарів: 0
Додавати коментарі можуть лише зареєстровані користувачі.
[ Реєстрація | Вхід ]