Ядерна Фізика

 Чи має атом структуру, чи складається він з більше дрібних частинок чи матерії, чи є він істинно неподільним і т.д.,–ці питання періодично виникали в історії науки й філософії вже давно. Для багатьох учених і філософів минулих століть атом представлявся дійсно неподільним, що не має внутрішньої будови. Однак були й такі, які пропонували різні гіпотези про його будову. Уже Декарт і його послідовники
картезіанці атом розглядали як частинку, утворену з матерії, що ділиться нескінченно. Атоми, по Декарту, або, краще сказати, частинки, з яких складена речовина, могли змінюватися за формою й по величині. Однак ця гіпотеза разом із загальними поданнями Декарта про фізичні явища порівняно швидко зійшла зі сцени.

На початку XIX ст. думку про складну будову атомів висловив англійський учений Праут. Він виходив з результатів вимірів, які показали, що атомні ваги елементів кратні атомній вазі водню. На основі цього Праут і висловив гіпотезу, відповідно до якої атоми всіх елементів складаються з атомів водню.

У середині XIX ст. з відродженням картезіанських ідей виникає гіпотеза про те, що всі атоми являють собою особливі утворення в ефірі. Таку гіпотезу висловлював В. Томсон, що пропонує розглядати атоми як вихрові кільця в ефірі. Ці кільця, якщо розглядати ефір як ідеальну рідину, не зникають, вони неподільні, між ними діють сили, подібні до молекулярних сил, і т.д.

Новий поштовх для розвитку ідеї про складну будову атома дало відкриття Дмитром Івановичем Менделєєвим (1834—1907) періодичного закону. Уже одне це відкриття наштовхувало на думку про те, що атоми не є неподільними, що вони мають структуру і їх не можна вважати первинними матеріальними утвореннями. І дійсно, незабаром з'явилися нові гіпотези про будову атома. Так, наприклад, англійський хімік і фізик Крукс, опираючись на відкриття Менделєєва, висловив гіпотезу про те, що всі елементи утворяться з якоїсь первісної речовини, «протила», у результаті його конденсації.

Відкриття періодичного закону Менделєєва наштовхнуло на ідею про складну будову атома Миколи Олександровича Морозова (1854-1946). Перебуваючи в царській в'язниці, куди він був закритий за революційну діяльність у період 1886-1905 р., не маючи зв'язок із зовнішнім світом, Морозов розробив цю ідею. Результати своїх досліджень він зміг опублікувати тільки після виходу з в'язниці в 1907 р. Всі атоми хімічних елементів, по Морозову, складаються з п'яти основних часток: трьох частинок з атомними масами 1, 2, 4 (структурні водень, прото гелій і архоній) і двох частинок електрики: негативної - «катодію» і позитивної - «анодію». Всі хімічні елементи відповідно до його теорії є сполученням цих, як би ми тепер сказати, елементарних частинок. Морозов передбачив ряд відкриттів в області хімії й фізики. Так, у його «катодії» не можна не бачити прообраз електрона, про відкриття якого він, звичайно, не міг знати, перебуваючи у заключенні.

Спроба побудувати теорію будови атома на основі відкриття Менделєєва була почата також професором Московського університету Б. Н. Чичеріним наприкінці 80-х років. Аналізуючи властивості елементів з погляду періодичного закону Менделєєва, він висунув гіпотезу про складну будову атома. Атом, по Чичеріну, подібний до сонячної системи. Він складається із центральної маси - ядра, навколо якого обертаються периферичні маси; між масами і ядром діють сили притягання, подібні до сил тяжіння.

«Кожний атом,- писав Чичерін,- представляє в такий спосіб у нескінченно малій подобі сонячної системи, із центральною масою і тілами, що звертаються біля неї. Самий закон тяжіння в обох випадках один такий».

Теорія будови атома, однак, початок по-справжньому розвиватися тільки після відкриття електрона і радіоактивності. Ці відкриття зовсім виразно свідчили про те, що атом не можна вважати неподільним і не має внутрішньої будови.

Перша гіпотеза, перша модель атома, на основі нових відкриттів була розроблена В. Томсоном і Дж. Дж. Томсоном. У найбільш закінченому вигляді вона була викладена останнім в 1903 р. у книзі «Електрика й матерія».

Відповідно до цієї моделі, атом складається з позитивного заряду, що рівномірно заповнює сферу, розміри якої мають той же порядок, що й атом. Усередині сфери перебувають негативні заряди - «корпускули» (термін «електрон» Томсон у даній роботі ще не використав), розміри яких набагато менше розмірів сфери. Число корпускул в атомі велике. Так, по Томсону, найменший атом, атом водню, містить близько 1000 корпускул. Корпускули усередині атома можуть рухатися, наприклад, обертаючись навколо його центра, або перебувати в спокої. Дж. Дж. Томсон використав обоє подань при поясненні різних фізичних явищ, думаючи, як і його знаменитий однофамілець В. Томсон, можливим користуватися різними моделями того самого об'єкта. За допомогою своєї моделі Дж. Дж. Томсон намагався пояснити багато фізичних і хімічних явищ. Насамперед Дж. Дж. Томсон показав, що його модель дозволяє пояснити періодичність хімічних властивостей елементів, що виражає періодичним законом Менделєєва. Виявляється, що при стійкому стані атома електрони в ньому повинні розташовуватися концентричними шарами з певним числом електронів у кожному шарі. За допомогою запропонованої моделі Томсон пояснював лінійчатий характер атомних структур, хоча спектральні закономірності йому пояснити не вдалося. Він також пояснював провідність металів, вважаючи, що атоми металів легко гублять зовнішні електрони, які стають електронами провідності. Дж. Дж. Томсон припускав пояснити і явище радіоактивності, розглядаючи атоми радіоактивних елементів як атоми, що містять дуже велику кількість електронів, які внаслідок постійної втрати енергії на випромінювання стають нестійкими і розпадаються (при цьому виділяється енергія) і т.д.

Японський фізик Нагаока в 1904 р. запропонував планетарну модель атома. По цій моделі атом складається з позитивного ядра, навколо якого обертається кільце, що складається з великої кількості електронів. Однак така гіпотеза не залучила серйозної уваги.

В 1905 р. у доповіді на 77-м з'їзді німецьких натуралістів і лікарів питання про планетарну модель атома торкнувся Вин. Він висловився проти такої моделі, оскільки атом, побудований відповідно до неї, не може бути стійким, внаслідок того що електрони в такому атомі повинні випромінювати й швидко губити енергію.

В 1909—1910 р. співробітниками лабораторії англійського фізика Ернеста Резерфорда (1871—1937) були проведені експериментальні дослідження розсіювання α-частинок тонким шаром речовини. Ці дослідження показали, що для більшості α-частинок, що пронизують тонкий шар речовини, можна прийняти, що вони розсіюються силовими центрами, які діють на них із силою, обернено пропорційному квадрату відстані. Для деяких же порівняно деяких часток, відхилення яких становило кут ~90° і більше, потрібно було прийняти, що вони зустрілися з дуже сильними електричними полями (у результаті вони навіть відкидаються назад).

Аналізуючи дані експерименту, Резерфорд був змушений в1911 р. у роботі «Розсіювання α- і β-частинок речовиною й будова атома» висловитися за планетарну модель атома. По теорії Резерфорда атом складається з позитивного ядра, набагато менших розмірів, ніж атом, порядку 10~¹³см. Навколо ядра обертаються електрони. Загальний заряд атома дорівнює нулю. Резерфорд думає згідно з думкою Ванден Брука, висловленим раніше, що число електронів в атомі повинне бути дорівнювати порядковому номеру елемента в періодичній системі Менделєєва. Модель атома Резерфорда, здавалося, зовсім виразно випливала безпосередньо з експериментів. Однак незважаючи на це, проти неї можна було висунути ті ж заперечення, які були висловлені Вином проти планетарної моделі. Крім того, дана модель не могла пояснити вид атомних спектрів, при вивченні яких уже була встановлена певна закономірність у розподілі спектральних ліній. Уже в 1885 р. Бальмер установив, що довжина хвиль спектра водню у видимій частині в трубці Гейслера.

В 1913 р. Томсон, урахувавши експериментальні дані по розсіюванню α-частинок і міркування Резерфорда, розробив нову модель атома. Тепер він припустив, що атом складається з ядра малих розмірів, навколо якого розташовані електрони. 

У випадку дії такої сили електрони в атомі можуть перебувати в рівновазі, будучи нерухомими. Так, наприклад, якщо в атомі один електрон, то він перебуває в рівновазі на відстані ~10^-8см від ядра. У випадку багатьох електронів умова стійкої рівноваги ускладнюється. У цьому випадку електрони при рівновазі повинні розташовуватися навколо ядра у вигляді кілець, аналогічно тому, як це було в першій моделі Томсона. Будучи виведений з положення рівноваги, який-небудь електрон починає робити усередині атома періодичний рух, якщо отримана ним енергія не перевищує певної величини. Якщо ж ця енергія перевищує деяку критичну величину то електрон покине атом. Надалі Томсон ускладнив свою модель. Він припустив, що сила взаємодії між електроном і ядром залежить не тільки від відстані, але й від орієнтації електрона щодо ядра в просторі, тобто що вона не має сферичну симетрію. За допомогою нової моделі Томсон намагався пояснити не тільки досліди Резерфорда, але й спектральні закономірності, і дискретний характер випромінювання й поглинання енергії атомом, і цілий ряд інших фізичних, а також хімічних явищ. Томсон досить довго дотримувався своєї нової гіпотези будови атома. Навіть в 1923 р., коли вже загальновизнаний серед фізиків став ас теорія Бора, Томсон у своїх лекціях викладав зазначену модель і застосовував її для пояснення багатьох фізичних і хімічних явищ.

З'явилися й інші роботи, у яких висловлювалися нові гіпотези про будову атома, відмінні й від гіпотез Резерфорда і Томсона. У цих роботах, наприклад, передбачалося, що атомне ядро має магнітний момент, уводилися гіпотези про те, що усередині атома простір має негативну кривизну, і т.д. Однак всі ці гіпотези носили штучний характер і не мали успіху.

Успіху в побудові теорії атома домігся в 1913 р. молодий датський фізик Нільс Бор (1885-1962), що працював у лабораторії Резерфорда. Бор зрозумів, що для побудови теорії, що пояснювала б і результати дослідів по розсіюванню α-частинок, і стійкість атома, і серіальні закономірності, і ряд інших експериментальних даних, потрібно відмовитися від деяких принципів класичної фізики.

Можна   взяти   за основу модель атома Резерфорда, але доповнити її новими гіпотезами, які не випливають або навіть суперечать класичним поданням. Ці гіпотези відомі як постулати Бора. Вони зводяться до наступного. Кожний електрон в атомі може робити стійкий орбітальний рух по певних орбітах, з певним значенням енергії, не випускаючи і не поглинаючи електромагнітного випромінювання. Електрон здатний перескакувати з однієї стаціонарної орбіти на іншу, і тільки в цьому випадку він випускає або поглинає певну порцію енергії монохроматичного випромінювання певної частоти. Ця частота визначається величиною зміни енергії атома при такому перескоку згідно з теорією Планка. 

Пояснення спектра водню було більшим успіхом теорії Бора. Прямим її підтвердженням були результати дослідів Франка й Герца по дослідженню порушення й іонізації пар ртуті ударами електронів, пророблених в 1914 р. У дослідах Франка й Герца було показано, що удари електронів об атоми ртуті, якщо енергія перших менше деякого критичного значення є пружними. Коли ж їхня енергія досягає цього значення, то удари стають непружними, енергія електронів повністю передається атомам ртуті, вони збуджуються й починають випромінювати. Досліди, проведені з іншими елементами, показали, що й для них спостерігалася така ж закономірність. При зіткненні електронів з атомами останні здатні сприймати тільки певні кількості енергії Е і випромінювати певні частоти.

Таким чином, досліди Франка і Герца безпосередньо підтверджували й припущення Бора про існування особливих стаціонарних станів атома, і припущення про те, що частота електромагнітного випромінювання атома визначається зміною його енергії при переході з одного стаціонарного стану в інший.

Подальший розвиток теорії Бора відбувався насамперед у напрямку пошуків більше загальних умов, що визначають стаціонарні стани атомів.