Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Положительная частица с самым высоким соотношением e/m, а значит, самая легкая, являлась ядром атома водорода. Если принять за значение заряда +1, т. е. противоположное значение заряду электрона, тогда масса частицы должна превышать массу электрона в 1836 раз. В 1924 году Резерфорд прекратил безуспешные поиски частицы легче ядра водорода и предложил принять массу этого ядра за противоположное число электрона, несмотря на разницу в массе. (Подлинное противоположное число было открыто лишь 20 лет спустя, см. гл. 13.)

В 1920 году Резерфорд предложил назвать положительно заряженные частицы протонами (от греч. «первый»).

Резерфорд предположил, что ядра атомов всех элементов состоят, хотя бы частично, из ядра водорода. Об этом говорил еще Праут. Гипотеза Праута возродилась, приняв более сложную форму. Снова поднялся похоронивший в XIX веке гипотезу Праута вопрос о нецелочисленных атомных весах. Мы поговорим о нем чуть ниже.

Давайте вернемся к альфа-частицам. В 1906 году Резерфорд измерил значение соотношения e/m для этой частицы и обнаружил, это значение это эквивалентно значению e/m атома гелия. В 1909 году он разрешил этот вопрос окончательно, поместив радиоактивное вещество в тонкостенную трубку, находящуюся внутри толстостенной трубки, и откачав воздух из пространства между стенками. Альфа-частицы проникали сквозь тонкую стенку, однако задерживались в пространстве между стенками. Там они присоединяли электроны и превращались в обычные атомы. Проведенный через несколько дней спектроскопический анализ показал, что это были атомы гелия.

Атомный вес гелия равняется 4, таким образом, ядро гелия в 4 раза тяжелее ядра водорода. Если бы соотношение e/m ядра атома гелия было таким же, как и у ядра атома водорода, то положительный заряд ядра атома гелия был бы в 4 раза выше положительного заряда ядра атома водорода. Однако значение соотношения e/m ядра атома гелия в два раза меньше значения соотношения e/m протона. Итак, если масса протона (т. е. ядра атома водорода) равняется 1, а заряд 2–1, то масса альфа-частицы (а ядро атома гелия и есть альфа-частица) будет иметь массу 4 и заряд 4–2.

Казалось бы, раз альфа-частица имеет массу 4, то она должна состоять из 4 протонов. Однако она не может состоять из 4 протонов, так как в этом случае ее заряд будет +4. Впрочем, этот парадокс можно довольно легко объяснить. Радиоактивные вещества, помимо альфа-частиц, излучают еще и бета-частицы (электроны), поэтому можно предположить, что ядро, кроме протонов, содержит еще и электроны. Тогда получается, что альфа-частица состоит из 4 протонов и 2 электронов. Присутствие 2 электронов практически никак не повлияет на массу, которая так и останется равной 4, а общий заряд будет +2.

Существование электронов внутри ядра удовлетворяло ученых и с еще одной точки зрения. Дело в том, что атомное ядро не может состоять лишь из одних протонов, так как протоны имеют положительный заряд и, учитывая небольшие размеры ядра, они будут отталкиваться друг от друга с колоссальной силой. В то же время электроны внутри атомного ядра играют роль своеобразного «цемента», соединяющего протоны.

Подобные рассуждения привели к появлению протонно-электронной модели атомного ядра. Согласно этой модели, ядро атома состоит как из протонов, так и из электронов (за исключением ядра атома водорода, так как оно состоит лишь из одного протона, и поэтому ему не нужен электрон-связка).

Количество протонов в ядре любого атома равняется атомному весу этого элемента (А) [129] Собственно говоря, это правило справедливо только для тех элементов, атомный вес которых приблизительно является целым числом. О том, как работает это правило применительно к другим элементам, я расскажу ниже. , в то время как количество электронов равняется количеству, необходимому для погашения заряда всех протонов, минус атомное число элемнта (2). Таким образом, количество необходимых электронов равняется A – Z. Заряд же оставшихся протонов гасится электронами, находящимися за пределами ядра. Таким образом, в атоме, обладающем нейтральным зарядом, Z «внеядерных электронов».

Приведем несколько примеров. Атомный вес атома углерода равняется 12, атомное число — 6, значит, ядро атома углерода должно состоять из 12 протонов и 12–6, то есть 6 электронов. Атомный вес атома мышьяка — 75, атомное число — 33, значит, его ядро состоит из 75 протонов и 75–33, то есть 42 электронов. Атомный вес атома урана — 238, атомное число — 92, значит, ядро атома урана состоит из 238 протонов и 238–92, или 146 электронов. Даже атом водорода не является исключением из этого общего правила: его атомный вес равняется 1, атомное число — 1, значит, ядро атома водорода состоит из 1 протона, а количество электронов равняется 1 – 1, т. е. в ядре атома водорода электронов нет.

К сожалению, протонно-электронная модель атомного ядра не давала объяснения по целому ряду вопросов. Например, каково направление ядерного спина! Спин протона или электрона может быть либо +½, либо –½, а общая сумма спинов может быть целым числом (как положительным, так и отрицательным), положительным или отрицательным дробным числом, например (-) 1/ 2,(-) 3/ 2, (-) 5/ 2и т. д., или же равняться нулю.

Атомный вес атома азота равен 14, атомное число — 7, тогда согласно протонно-электронной модели ядро атома азота должно состоять из 14 протонов и 7 электронов, а общее количество частиц в ядре азота должно равняться 21. Сумма спинов (как положительных, так и отрицательных) 21 частицы в любом случае является дробным числом. Однако наблюдения показали — спин ядра азота является целым числом. Тогда ученые предположили, что сумма электронов и протонов в ядре азота не равна 21 и вообще не может равняться нечетному числу. С другой стороны, она не может быть и четным числом, так как атомный вес азота 14, а атомное число — 7.

Данные о ядерных спинах других элементов также противоречили протонно-электронной модели атомного ядра, что и привело к полному отказу от нее.

Так в чем же все-таки было дело? По одной из версий, электроны и протоны внутри ядра являлись единой частицей, так как из-за крошечных размеров ядра они находились в непосредственной близости и спаивались в одну частицу. Поскольку масса электрона ничтожно мала, масса такой частицы приблизительно равняется массе протона, а ее заряд равен 0, так как заряд протона (+1) погашается зарядом электрона (-1). Согласно этой версии, ядро атома азота состоит из 7 протонов и 7 «спаянных частиц», а общее число частиц равняется 14, то есть четному числу.

В 1920 году были высказаны первые предположения о том, что внутри атомного ядра присутствуют еще и незаряженные частицы, масса которых равна массе протонов. Однако в течение следующих 10 лет ученым так и не удалось найти никаких доказательств существования таких частиц. Но это еще не значило, что их не существует, так как физики знали, что незаряженная частица и должна быть неуловимой.