Rutherforda o proučavanju raspršenja nabijenih čestica. Atomski spektri

Ernest Rutherford jedan je od utemeljitelja temeljne doktrine o unutarnjoj strukturi atoma. Znanstvenik je rođen u Engleskoj, u obitelji imigranata iz Škotske. Rutherford je bio četvrto dijete u svojoj obitelji, a pokazalo se i najtalentiranijim. Uspio je dati poseban doprinos teoriji strukture atoma.

Početne predodžbe o građi atoma

Treba napomenuti da je prije nego što je izveden poznati Rutherfordov eksperiment o raspršenju alfa čestica, u to vrijeme dominantna ideja o strukturi atoma bio Thompsonov model. Ovaj je znanstvenik bio siguran da pozitivni naboj ravnomjerno ispunjava cijeli volumen atoma. Negativno nabijeni elektroni, vjerovao je Thompson, kao da su prošarani njime.

Preduvjeti za znanstvenu revoluciju

Nakon završene škole Rutherford je kao najtalentiraniji učenik dobio potporu od 50 funti za daljnje školovanje. Zahvaljujući tome, mogao je ići na koledž na Novom Zelandu. Zatim mladi znanstvenik polaže ispite na Sveučilištu Canterbury i počinje ozbiljno proučavati fiziku i kemiju. Godine 1891. Rutherford je održao svoj prvi govor o "Evoluciji elemenata". Po prvi put u povijesti iznio je ideju da su atomi složene strukture.

U to je vrijeme u znanstvenim krugovima dominirala Daltonova ideja da su atomi nedjeljivi. Svima oko Rutherforda njegova se ideja činila potpuno suludom. Mladi se znanstvenik morao stalno ispričavati svojim kolegama za svoje "gluposti". No nakon 12 godina Rutherford je ipak uspio dokazati da je bio u pravu. Rutherford je imao priliku nastaviti svoja istraživanja u laboratoriju Cavendish u Engleskoj, gdje je počeo proučavati procese ionizacije zraka. Rutherfordovo prvo otkriće bile su alfa i beta zrake.

Rutherfordovo iskustvo

Otkriće se može ukratko opisati na sljedeći način: 1912. godine Rutherford je zajedno sa svojim pomoćnicima proveo svoj poznati eksperiment - alfa čestice emitirane su iz izvora olova. Sve čestice, osim onih koje je upilo olovo, kretale su se duž ugrađenog kanala. Njihov uski mlaz padao je na tanki sloj folije. Ova je linija bila okomita na list. Rutherfordov eksperiment o raspršenju alfa čestica dokazao je da one čestice koje prolaze ravno kroz foliju uzrokuju takozvane scintilacije na ekranu.

Ovaj ekran bio je obložen posebnom tvari koja je počela svijetliti kada su alfa čestice udarile u njega. Prostor između sloja i zaslona ispunjen je vakuumom kako bi se spriječilo raspršivanje alfa čestica u zrak. Takav uređaj omogućio je istraživačima da promatraju čestice koje se raspršuju pod kutom od oko 150°.

Ako folija nije korištena kao prepreka ispred snopa alfa čestica, tada se na ekranu stvara svjetlosni krug scintilacija. Ali čim je ispred njihove zrake postavljena barijera od zlatne folije, slika se uvelike promijenila. Bljeskovi su se pojavili ne samo izvan ovog kruga, već i na suprotnoj strani folije. Rutherfordov pokus o raspršenju alfa čestica pokazao je da većina čestica prolazi kroz foliju bez primjetnih promjena u putanji.

U ovom su slučaju neke čestice bile otklonjene pod prilično velikim kutom i čak odbačene natrag. Na svakih 10 000 čestica koje slobodno prolaze kroz sloj zlatne folije, samo je jedna bila otklonjena za kut veći od 10° - kao iznimka, jedna od čestica je bila otklonjena za takav kut.

Razlog zašto su alfa čestice skrenute

Ono što je Rutherfordov eksperiment detaljno ispitao i dokazao jest struktura atoma. Ova situacija je pokazala da atom nije kontinuirana formacija. Većina čestica je slobodno prolazila kroz foliju debljine jednog atoma. A budući da je masa alfa čestice gotovo 8000 puta veća od mase elektrona, potonji nije mogao značajno utjecati na putanju alfa čestice. To je mogla učiniti samo atomska jezgra - tijelo male veličine, koje posjeduje gotovo svu masu i sav električni naboj atoma. U to je vrijeme to postao značajan napredak za engleskog fizičara. Rutherfordovo iskustvo smatra se jednim od najvažnijih koraka u razvoju znanosti o unutarnjoj strukturi atoma.

Ostala otkrića nastala u procesu proučavanja atoma

Ove su studije pružile izravne dokaze da se pozitivni naboj atoma nalazi unutar njegove jezgre. Ovo područje zauzima vrlo mali prostor u usporedbi sa svojim ukupnim dimenzijama. U tako malom volumenu raspršenje alfa čestica pokazalo se vrlo malo vjerojatnim. A one čestice koje su prolazile blizu područja atomske jezgre doživjele su oštra odstupanja od putanje, jer su sile odbijanja između alfa čestice i atomske jezgre bile vrlo snažne. Rutherfordov eksperiment raspršenja alfa čestica dokazao je vjerojatnost da alfa čestica izravno udari u jezgru. Istina, vjerojatnost je bila vrlo mala, ali ipak ne nula.

To nije bila jedina činjenica koju je dokazalo Rutherfordovo iskustvo. Strukturu atoma nakratko su proučavali njegovi kolege, koji su došli do niza drugih važnih otkrića. Osim učenja da su alfa čestice brzo pokretne jezgre helija.

Znanstvenik je uspio opisati strukturu atoma u kojem jezgra zauzima mali dio ukupnog volumena. Njegovi eksperimenti dokazali su da je gotovo cijeli naboj atoma koncentriran unutar njegove jezgre. Pritom se javljaju i slučajevi otklona alfa čestica i slučajevi njihovog sudara s jezgrom.

Rutherfordovi pokusi: nuklearni model atoma

Godine 1911. Rutherford je nakon brojnih studija predložio koje je nazvao planetarnim. Prema tom modelu unutar atoma nalazi se jezgra koja sadrži gotovo cijelu masu čestice. Elektroni se kreću oko jezgre na sličan način kao što se planeti kreću oko Sunca. Iz njihove kombinacije nastaje takozvani elektronski oblak. Atom ima neutralan naboj, kao što je pokazao Rutherfordov pokus.

Struktura atoma kasnije je postala zainteresirana za znanstvenika po imenu Niels Bohr. On je bio taj koji je finalizirao Rutherfordovo učenje, jer je prije Bohra planetarni model atoma počeo nailaziti na poteškoće u objašnjenju. Budući da se elektron kreće oko jezgre u određenoj orbiti s ubrzanjem, prije ili kasnije mora pasti na jezgru atoma. Međutim, Niels Bohr je uspio dokazati da unutar atoma zakoni klasične mehanike više ne vrijede.

Rutherfordov eksperiment raspršenja alfa čestica

Temelj modernih ideja o strukturi atoma bili su Rutherfordovi pokusi raspršivanja čestica. - čestice nastaju u procesu radioaktivnog raspada, njihov naboj je pozitivan i jednak dvostrukom naboju elektrona. Kinetička energija i brzina čestica su velike:

U Rutherfordovim pokusima uski snop čestica koje je emitirala radioaktivna tvar P, koju je emitirala rupa (slika 39), padao je na vrlo tanku metalnu foliju F. Došlo je do raspršenja čestica na atomima folije. Oko folije postavljen je ekran E od cink sulfida. Kada je čestica udarila u ovaj ekran, dala je bljesak svjetlosti - scintilaciju (zbog čega se takvi ekrani nazivaju scintilacijski ekrani), što je snimljeno pomoću teleskopa M. Položaj ekrana i teleskopa mogao se postaviti pod bilo kojim kutom u odnosu na smjer širenja snopa – čestice. Tako je bilo moguće izbrojati broj čestica koje se šire pod različitim kutovima.

Riža. 39. Rutherfordov pokus

Ispostavilo se da -čestice mogu proći kroz foliju u ravnoj liniji ili se potpuno reflektirati od nje. Većina
- čestice odstupaju od ravne putanje pod kutovima ne većim od 1-2 stupnja. Ali mali dio čestica odstupio je pod znatno većim kutovima - tako da se jedna čestica od 20 000 vraća natrag ().

Na temelju razmotrenih eksperimentalnih rezultata Rutherford je 1911. predložio vlastiti nuklearni (planetarni) model atoma. Prema Rutherfordu, u središtu atoma nalazi se pozitivno nabijena (+Ze) jezgra (polumjer jezgre ~ 10 -13 cm), oko kojih se nalaze Z elektrona. Masa jezgre mnogo je veća od mase elektrona.

Nuklearni model atoma omogućio je objašnjenje odstupanja čestica od pravocrtne putanje opažene u Rutherfordovom eksperimentu: između pozitivno nabijenih čestica i pozitivno nabijene jezgre nastaju Coulombove sile odbijanja .

Eksperimentalna potvrda nuklearnog modela atoma koji je predložio Rutherford, međutim, nije riješila proturječja ovog modela sa zakonima klasične mehanike i elektrodinamike.

Kontradikcija 1: budući da je sustav stacionarnih električnih naboja nestabilan, Rutherford je predložio da elektroni nisu statični, već da se kreću oko jezgre; što znači da imaju centripetalno ubrzanje. Ali u isto vrijeme, prema konceptima klasične fizike, elektron, kao i svaki ubrzani pokretni naboj, mora kontinuirano emitirati elektromagnetske valove. U međuvremenu, u normalnom stanju atomi ne emitiraju.

Kontradikcija 2: gubeći energiju u procesu emitiranja elektromagnetskih valova, elektron na kraju mora pasti na jezgru (procijenjeno vrijeme pada ~ 10 -8 s.). Posljedično, prema Rutherfordovom modelu, atom je nestabilan sustav, što proturječi stvarnosti.

Kontradikcija 3: prema Rutherfordu, elektrone koji se kreću oko jezgre drže Coulombove sile:

gdje je nuklearni naboj, m – masa elektrona, – njegova brzina, r – radijus orbite. Budući da radijus r nema ograničenja; brzina elektrona, a time i njegova kinetička energija, može biti bilo što.

To znači da spektar emisije atoma mora biti kontinuiran. Međutim, pravi spektri atomske emisije sastoje se od pojedinačnih linija (koje se kombiniraju u niz linija).

Oni. nuklearni model atoma nije mogao objasniti niti stabilnost atoma niti prirodu atomskog spektra. Izlaz iz situacije pronašao je 1913. Bohr, koji je predložio novi model atoma, uvodeći pretpostavke koje su u suprotnosti s klasičnim idejama. Svoju teoriju temeljio je na dva postulata.

Sada znam kako atom izgleda!

Ernest Rutherford, 1911

Jednog dana, u poljoprivrednom zaleđu onoga što Maori zovu Aotearoa, Zemlja dugog bijelog oblaka, mladi je doseljenik kopao krumpir. Sa zavidnom upornošću, tip je kopao u zemlju lopatom, izvlačeći usjev koji će pomoći njegovoj obitelji da preživi teška vremena. Malo je vjerojatno da se nadao da će tamo pronaći grumenčiće zlata - za razliku od drugih dijelova Novog Zelanda, njegovo područje nije bilo poznato po rudnicima - ali bila mu je suđena zlatna budućnost.

Ernest Rutherford, koji je bio predodređen da prvi pogleda u dubine atoma, rođen je u obitelji ranih doseljenika na Novom Zelandu. Njegov djed George Rutherford, kolar iz Dundeeja u Škotskoj, došao je u koloniju Nelson na vrhu Južnog otoka kako bi pomogao u izgradnji pilane. Kad je bilo spremno, Rutherford stariji preselio je obitelj u selo Brightwater (sada Spring Grove) južno od Nelsona, u dolini rijeke Wairoa. Ondje se Georgeov sin James, koji je uzgajao lan i time zarađivao za život, oženio engleskom iseljenicom Martom, koja je 30. kolovoza 1871. rodila Ernesta.

U školi Nelson i kasnije na koledžu Canterbury u Christchurchu, najvećem i najanglezijem gradu na Južnom otoku, Rutherford se pokazao kao vrijedan i sposoban učenik. Jedan od školskih kolega budućeg znanstvenika pamtio ga je kao “spontanog, iskrenog, jednostavnog i vrlo ugodnog mladića koji, iako nije bio čudo od djeteta, ako je vidio cilj, odmah je shvaćao ono glavno” 11 .

Ernest Rutherford (1871-1937), otac nuklearne fizike.

Rutherfordove spretne ruke činile su čuda s bilo kojom mehaničkom napravom. Eksperimentatorovi mladenački hobiji dobro su ga pripremili za suptilne manipulacije atomima i atomskim jezgrama. S vještinom dostojnom kirurga, rastavljao je satove, stvarao radne modele mlinova, pa čak napravio i amaterski fotoaparat za fotografiranje. U Canterburyju je, saznavši za elektromagnetske fenomene otkrivene u Europi, krenuo u izgradnju vlastite instalacije. Slijedeći Hertza, sastavio je radio odašiljač i prijemnik koji su anticipirali Marconijev izum bežičnog telegrafa. Rutherford je pokazao da radiovalovi mogu putovati na velike udaljenosti, prolaziti kroz zidove i magnetizirati željezo. Njegovo izvorno iskustvo dalo mu je priliku da se prijavi za mjesto u Cambridgeu u Engleskoj.

Igrom slučaja, u godini kada je Rutherford rođen, u Cambridgeu je organiziran novi laboratorij za fiziku, čiji je Maxwell postao prvi ravnatelj. Laboratorij Cavendish, nazvan. pa se u čast briljantnog fizičara Henryja Cavendisha (uzgred, on je, između ostalog, prvi izolirao vodik kao kemijski element), pretvorio u svjetski centar atomske fizike. Nalazi se na Free School Laneu, u blizini centra poznatog sveučilišnog grada. Sam Maxwell nadgledao je izgradnju i odabir opreme za prvi svjetski laboratorij za fizička istraživanja. Nakon Maxwellove smrti 1879. godine, redateljsku je stolicu zasjeo još jedan poznati fizičar, Lord Rayleigh. A 1884. neponovljivi J. J. (Joseph John) Thomson preuzeo je uzde vlade.

Ovaj energični i svestrani čovjek s dugom tamnom kosom, čupavim brkovima i naočalama sa žičanim okvirima postao je jedan od pokretača revolucije u znanstvenom obrazovanju koja je studentima otvorila goleme istraživačke mogućnosti. Ranije se eksperimentalni rad za studente fizike radio samo kao desert na kraju dugog banketa na kojem su se služili matematički predmeti. No, čak i ovu poslasticu učitelji su podijelili prilično nevoljko. Nakon što je učenik položio sve ispite iz mehanike, toplinskih pojava, optike i drugih teoretskih predmeta, ponekad mu je bilo dopušteno da nakratko dotakne neke instrumente. U Cavendishu, sa svojom vrhunskom opremom, ove kratke degustacije pretvorile su se u puni obrok. Thomson je s entuzijazmom pozdravio novi sustav, koji je omogućio studentu s drugog sveučilišta da dođe u Cambridge i provede istraživanje pod nadzorom lokalnog znanstvenika. Na temelju njihovih rezultata pozvani je napisao disertaciju i dobio višu diplomu. Danas doktore znanosti uzimamo zdravo za gotovo jer su oni ti koji se pridružuju akademskom svijetu. No krajem 19.st. takav je sustav bio inovativan i nije se dugo čekalo na revoluciju u fizici.

Inovacije su stupile na snagu 1895., a Rutherford je bio među prvim pozvanim studentima. Dobio je stipendiju "1851", koja se dodjeljuje mladim talentiranim ljudima iz zemalja britanskog dominiona (danas država Commonwealtha). Zamijenivši provincijski Novi Zeland za sveučilište u Cambridgeu, Rutherford je radio na dobrobit ne samo svoje karijere, već i cijele atomske fizike.

Postoji legenda o tome kako je Rutherford prihvatio ovaj dar sudbine. Kažu da je njegova majka dobila telegram s dobrim vijestima i otišla na njivu gdje je on vadio krumpir. Kad je sinu pročitala kakvu je čast dobio, on isprva nije vjerovao svojim ušima, ali je, jedva shvaćajući svoju sreću, odbacio lopatu i uzviknuo: “Danas sam zadnji put okopao krumpir!” 12

Uzevši svoj radio kućne izrade, Rutherford je otplovio u London. Tamo se ekspresno poskliznuo na koru od banane i ozlijedio koljeno, ali je, srećom, cijelo daljnje putovanje kroz labirinte maglovitog grada prošlo bez problema. Kako se kretao prema sjeveru, magle su ustupile mjesto svježem zraku, a grad su zamijenili engleski krajolici i sveti obrisi raznih koledža na rijeci Cam. Ovdje se Rutherford smjestio na Trinity College. Velika vrata koledža, koji je 1546. godine utemeljio kralj Henry VIII, i legende o Newtonovim slavnim djelima još uvijek dominiraju pobožnim koracima studenata koji ulaze ovamo. (Sveučilište Cambridge podijeljeno je na mnogo koledža na kojima studenti studiraju i žive, a Trinity College je najveći od njih.) Nakon što napustite Trinity College i uživate u kratkoj šetnji, gotovo odmah se nađete u Cavendish Laboratoryju.

Rutherford nije bio jedini u struji studenata koji su se slijevali iz cijelog svijeta u istraživačke laboratorije u Cambridgeu. Thomson je njegovao duh jedinstva različitosti koji je ovdje vladao i svaki dan nakon ručka pozivao je mlade zaposlenike na čaj. Kasnije se prisjećao: “Razgovarali smo o svemu na svijetu, samo ne o fizici. Nisam poticao razgovor o fizici jer smo se sastali da se opustimo... i zato što je lako naučiti govoriti svojim ptičjim jezikom, ali teško se odučiti. A ako se ne naviknete na to, tada će sposobnost održavanja razgovora o općim temama atrofirati kao nepotrebna” 13 .

Unatoč Thomsonovim pokušajima da potakne mlade istraživače, pritisci na Cambridgeu očito su uzimali danak. “Kada se vratim iz laboratorija, nađem se nemirno i obično u prilično nervoznom stanju”, napisao je jednom Rutherford. Kako bi se malo opustio, počeo je pušiti lulu, zadržavši tu naviku do kraja života. “Ponekad sam povukao dim,” nastavlja Rutherford, “i uspio sam se malo koncentrirati... Svaki čovjek od znanosti trebao bi popušiti lulu, inače gdje će imati strpljenja? Znanstvenici bi to trebali imati kao deset poslova zajedno” 14.

Ulje na vatru dolijevali su i lokalni studenti, tretirajući posjetitelje kao strance. Rutherfordovi kolege iz zlatne mladeži, zadirkujući ga kao gorštaka iz Antipodije, malo su učinili da mu podignu raspoloženje. O jednom takvom nasilniku Rutherford je rekao: “Postoji jedan laborant na čijim grudima ne bih imao ništa protiv da, kao pravi Maor, izvede ratni ples” 15.

Thomson je bio pedantan eksperimentator i jedno je vrijeme s entuzijazmom proučavao svojstva elektriciteta. Nakon što je sastavio originalnu instalaciju, proučavao je kombinirani utjecaj električnog i magnetskog polja na takozvane katodne zrake - negativno nabijene zrake električne energije koje dolaze od negativno do pozitivno nabijene elektrode (kontakt spojen na odgovarajući pol baterije) . Negativno nabijena elektroda stvara katodne zrake, a pozitivno nabijena elektroda ih privlači.

Naboji se različito ponašaju u električnom i magnetskom polju. Sila kojom električno polje djeluje na negativan naboj usmjerena je suprotno od smjera polja. Što se tiče magnetskog polja, sila u njemu djeluje pod pravim kutom na polje. Osim toga, za razliku od električne sile, magnetska sila ovisi o brzini naboja. Thomson je smislio kako kompenzirati električna i magnetska polja da odredi tu brzinu. I zahvaljujući njemu, mogao je odrediti omjer naboja zraka i njihove mase. Izjednačujući naboj čestica u snopovima s nabojem ioniziranog vodika, Thomson je otkrio da je njihova masa nekoliko tisuća puta manja od mase vodika. Jednostavno rečeno, katodne zrake sastoje se od elementarnih čestica koje su puno lakše od atoma. Mijenjajući uvjete i ponavljajući pokus uvijek iznova, Thomson je uvijek dobivao isti rezultat. Te je negativno nabijene čestice nazvao korpuskulama, ali su kasnije dobile drugačiji naziv: od tada je to isto - elektroni. Oni su prvi otvorili mali prozor u bogati svijet atoma.

Thomsonovo zapanjujuće otkriće znanstveno je društvo u početku dočekalo sa skepsom. “Isprva je malo ljudi vjerovalo da postoje takvi objekti - manji od atoma”, prisjetio se. - Mnogo godina kasnije, čak mi je jedan izvrsni fizičar, koji je bio nazočan mom predavanju na sastanku Kraljevskog društva, rekao da je potpuno siguran da sam “svima zavarao glavu”. Njegove me riječi nisu iznenadile. I sam sam se opirao tom objašnjenju i tek kad mi eksperimenti nisu ostavili drugog izbora, javno sam objavio postojanje tijela manjih od atoma” 16.

U međuvremenu, s druge strane kanala La Manche, otkriće radioaktivnog raspada bacilo je sumnju na prevladavajuće ideje o nedjeljivosti atoma. Godine 1896. pariški fizičar Henri Becquerel posuo je soli urana na fotografsku ploču umotanu u crni papir i nemalo se iznenadio kada je vidio da je ploča s vremenom potamnila, što je značilo da iz soli dolaze neke misteriozne zrake. Za razliku od X-zraka, Becquerelove su se pojavile same od sebe bez ikakvih električnih uređaja. Znanstvenik je otkrio da zračenje dolazi od bilo kojeg spoja koji sadrži uran. Štoviše, što je više urana bilo u spoju, to je više zračio. Bilo je logično pretpostaviti da su sami atomi urana emitirali to zračenje.

Marie Skłodowska-Curie, fizičarka poljskog podrijetla, koja je radila u Parizu, ponovila je Becquerelove eksperimente, a također je zajedno sa svojim suprugom Pierreom pronašla tajanstveno zračenje u dva elementa koja su otkrili: radiju i poloniju. Potonji su emitirali još intenzivnije od urana, a njihova se količina s vremenom smanjivala. Maria je skovala pojam "radioaktivnost", kojim je opisala fenomen spontanog raspada atoma, pri čemu se oslobađa posebno zračenje. Za svoje značajno otkriće krhkosti atoma u radioaktivnim procesima, Becquerel i Curiejevi su 1903. godine dobili Nobelovu nagradu. Daltonovi bezvremenski elementi, koji su jedno stoljeće vladali znanošću, bili su u pokretu.

Rutherford je s velikim zanimanjem pratio te događaje. Dok je njegov učitelj Thomson bio zaokupljen otkrivanjem elektrona, Rutherford je svoju pozornost usmjerio na činjenicu da se plinovi mogu ionizirati radioaktivnim materijalima. Iz nekog razloga, zrake koje dolaze iz urana i drugih radioaktivnih spojeva izvukle su plin iz stanja električne inertnosti i pretvorile ga u električki aktivan vodič. Radioaktivno zračenje ponašalo se kao dva štapića koja trljaju jedan o drugi da bi stvorila iskru.

Ali što je najvažnije, radioaktivnost je izazvala iskru interesa u Rutherfordu i natjerala ga da se uključi u metodičko proučavanje njezinih svojstava, što je bilo predodređeno da revolucionira naše ideje o fizici. A početnik, koji je započeo sastavljanjem radija i drugih elektromagnetskih uređaja, morao je steći iskustvo i pretvoriti se u eksperimentatora najviše klase, sposobnog da putuje u svijet atoma uz pomoć radioaktivnog zračenja. Znajući da magnetsko polje za razliku od naboja skreće u različitim smjerovima, Rutherford je shvatio da radioaktivne zrake imaju pozitivne i negativne komponente. Dao im je imena, redom, alfa i beta zračenje. (Pokazalo se da su beta čestice jednostavno elektroni, a uskoro je Rutherfordovu klasifikaciju nastavio Villard, koji je otkrio treću, električki neutralnu komponentu - gama zrake.) U magnetskom polju alfa čestice se okreću u jednom smjeru, a beta čestice u drugom. , poput konja koji trče po cirkuskoj areni u različitim smjerovima. Rutherford je promatrao koliko je svaka vrsta zračenja blokirana preprekom i dokazao da beta zrake prodiru dublje od alfa zraka. Stoga su alfa čestice veće od beta čestica.

Godine 1898., usred svog istraživanja radioaktivnosti, Rutherford je odlučio uzeti stanku kako bi riješio suštinska pitanja. Nakratko je otišao na Novi Zeland, gdje se oženio svojom srednjoškolskom ljubavi Mary Newton. Međutim, nisu se vratili u Englesku. Oženjen muškarac trebao bi imati dobre prihode, zaključio je Rutherford i prihvatio mjesto profesora na Sveučilištu McGill u Montrealu, Kanada, s plaćom od 500 funti godišnje - pristojan novac u to vrijeme, oko 50 000 dolara u današnjoj protuvrijednosti. Sretni par otplovio je u hladni kraj, gdje je znanstvenik ubrzo nastavio svoja istraživanja.

U McGillu, Rutherford je bio željniji nego ikad razotkriti alfa čestice i otkriti njihove prave boje. Ponavljajući Thomsonove pokuse za određivanje omjera naboja i mase s alfa zrakama umjesto elektrona, iznenada je vidio da je naboj alfa čestica isti kao i naboj iona helija. Uvlačila se sumnja da je najteži produkt radioaktivnog raspada zapravo helij koji putuje inkognito.

Baš kad je Rutherfordu dobro došla pomoć u rješavanju atomskih misterija, u gradu se pojavio još jedan tragač. Godine 1900. Frederick Soddy (1877.-1956.), kemičar iz Sussexa u Engleskoj, dobio je mjesto na Sveučilištu McGill. Saznavši za Rutherfordove pokuse, želio je dati svoj doprinos te su zajedno počeli proučavati fenomen radioaktivnosti. Pretpostavili su da se radioaktivni atomi poput urana, radija i torija raspadaju na jednostavnije atome drugih kemijskih elemenata, oslobađajući pritom alfa čestice. Soddy, koji je bio fasciniran poviješću srednjeg vijeka, pogodio je da su radioaktivne transformacije, u neku ruku, utjelovljenje njegovanog sna alkemičara koji su pokušavali dobiti zlato iz običnih metala.

Godine 1903., nedugo nakon što je Rutherford objavio njihovu zajedničku teoriju radioaktivnih transformacija, Soddy je odlučio udružiti snage s Williamom Ramsayem sa Sveučilišta u Londonu, priznatim stručnjakom za helij i plemenite plinove općenito (neon i druge). Ramsay i Soddy proveli su niz pomnih eksperimenata u kojima su alfa čestice iz radioaktivnog radija skupljane u posebnu staklenu cijev. Zatim su znanstvenici ispitali spektralne linije dobivenog dovoljno gustog plina, za koje se pokazalo da su potpuno jednake onima helija. Spektralne linije su uske pruge u blizini određenih frekvencija (u vidljivom dijelu spektra to su određene boje). Svaki element, emitirajući ili apsorbirajući svjetlost, proizvodi vlastiti niz linija. U spektru emisije helija uvijek su vidljive neke ljubičaste, žute, zelene, plavozelene i crvene linije, kao i dvije karakteristične plavkaste pruge. Ti "otisci prstiju" poslužili su kao neoboriv dokaz u eksperimentima Ramsaya i Soddyja da su alfa čestice i ionizirani helij jedno te isto.

Soddy je također skovao izraz "izotop", koji je koristio za opisivanje varijanti istog kemijskog elementa koji imaju različite atomske težine. Na primjer, deuterij, ili "teški" vodik, kemijski se ne razlikuje od običnog vodika, ali je njegova atomska težina otprilike dvostruko veća. Radioaktivni izotop vodika, tricij, općenito je oko tri puta teži od običnog vodika. Kada se raspadne, proizvodi helij-3, lagani izotop poznatog helija. Soddy je razvio ono što je nazvao zakonom radioaktivnog pomaka: kao rezultat alfa raspada, element u periodičnom sustavu pomiče se dva mjesta unatrag, kao da ima loš potez u igri na ploči. Beta raspad, naprotiv, daje pravo na jedan pomak naprijed, a dobiva se jedan od izotopa elementa koji sjedi u sljedećoj ćeliji. Živi primjer je raspad tricija, koji, pretvarajući se u helij-3, skače jednu ćeliju dalje.

Zamislimo da ste slučajno naišli na nerazumljiv stroj s kuglicama, a ne vidite njegov sadržaj. Ponekad iz njega iskaču plave kuglice, a stroj jednom trepne, a ponekad crvene kuglice, čije pojavljivanje prate dva bljeska. Kako odavde možemo razumjeti što se događa unutra? Vjerojatno možete pretpostaviti da stroj sadrži homogenu mješavinu crvenih i plavih kuglica, razbacanih tu i tamo, poput grožđica u pudingu.

Do 1904. godine fizičari su znali da se u radioaktivnim procesima atomi pretvaraju jedni u druge, emitirajući čestice s različitim nabojima i masama, ali nitko nije imao pojma o velikoj slici. Thomson se usudio iznijeti ideju da su pozitivni i negativni naboji ravnomjerno izmiješani, a potonji, budući da su lakši, imaju veću slobodu kretanja. Kada eksperimentatori kušaju ovaj puding, nadao se, vidjet će koliko je dobar. Ali, nažalost, prvi puding je ispao grudast. A sudbina je odlučila da ovu presudu donese novozelandski miljenik Thomson.

Sljedeće razdoblje u Rutherfordovu životu bilo je možda najplodnije. Godine 1907. Sveučilište u Manchesteru - Daltonov znanstveni put nekoć je vodio kroz ova sjevernoengleska mjesta - pozvalo je znanstvenika na čelo katedre za fiziku. Ono što je Manchester dobio bio je McGillov gubitak. U to vrijeme Rutherford je "zajahao svoju sreću", kako je sam, ne bez hvalisanja, primijetio svom biografu (i učeniku) Arthuru Eveu 17, i već je bio zapažena osoba u znanosti. Kao pravi kormilar, čvrstom je rukom upravljao svojim brodom: zapošljavao je najbolje mlade istraživače, davao im zanimljive zadatke i otpuštao one koji nisu opravdali očekivanja. Glasan, katkad prgav, a katkad psujući instrumente pod svaku cijenu, profesor s nepromjenjivom sviralom i brkovima doista je tjerao strah u kosti svojim podređenima. Ali izljevi bijesa brzo su prošli, jarko sunce pojavilo se iza oblaka koji su se sušili, a tada nije bilo nikoga na svijetu koji je bio prijateljskiji, dobrodušniji i pružao više podrške od Rutherforda.

U to vrijeme s njim se zbližio manchesterski biokemičar i budući prvi predsjednik Izraela Chaim Weizmann. Opisao je Rutherforda kao “živahnog, energičnog i bučnog. Stalo mu je do svega, ne samo do nauke. Spremno je i energično raspravljao o svemu na svijetu, čak i ako o nečemu nije imao ni najmanjeg pojma. Silazeći u blagovaonicu na večeru, već sam čuo grmljavinu njegova prijateljskog glasa u hodniku... Bio je dobre volje, ali nije podnosio budale” 18.

Weizmann se prisjetio, uspoređujući Rutherforda s Einsteinom, kojeg je također dobro poznavao: “Kao znanstvenici, ova su dva čovjeka bili suprotni jedan drugome: Einstein je bio samo proračun, Rutherford je bio samo eksperiment. Ali u životu su bili malo slični. Einstein se činio nedostižnim, a Rutherford je izgledao kao veliki, bučni Novozelanđanin kakav je i bio. Na polju eksperimenta Rutherford je, naravno, bio genij, jedan od najboljih. Imao je poseban štih, i čega god bi se dotakao, sve se pretvaralo u zlato” 19.

Rutherford je u Manchesteru kovao ambiciozne planove: razdvojiti atom alfa česticama i vidjeti što je unutra. Pretpostavio je da su relativno velike alfa čestice idealan uređaj Za istraživanje dubinske strukture atoma. Prije svega, želio je ispitati snagu Thomsonova modela pudinga i shvatiti je li istina da je atom kolač od impresivnih pozitivno nabijenih komadića i malih negativnih naboja. Odlučan u namjeri da pobijedi, Rutherford je uspio ukrasti dvije vrijedne nagrade ispred nosa svojim konkurentima: toliko željenu zalihu radija (za koji su se borili s Ramsayem) i bistru glavu njemačkog fizičara Hansa Geigera, koji je prije radio pod bivši šef odjela. Rutherford je Geigeru postavio zadatak da razvije pouzdan način otkrivanja alfa čestica.

Metoda koju je predložio Geiger - brojanje iskri koje skaču između elektroda metalne cijevi kada alfa čestice, ionizirajući plin zatvoren unutra, pretvore ga u vodič - bila je osnova poznatog brojača, nazvanog po autoru izuma, Geigerov brojač. Ovaj mjerač radi zahvaljujući činjenici da električna struja cirkulira u zatvorenim krugovima. Svaki put kada uzorak emitira alfa česticu, krug kroz elektrode i provodljivi plin je završen i čuje se zvučni klik. Unatoč Geigerovom korisnom otkriću, Rutherford je obično koristio drugu metodu registracije. Uzeo je zaslon presvučen cink sulfidom, materijalom u kojem bombardiranje alfa čestica uzrokuje sićušne bljeskove svjetlosti, zvane scintilacije.

Godine 1908. Rutherford je prekinuo svoje istraživanje kako bi otišao primiti Nobelovu nagradu za kemiju, dodijeljenu mu za proučavanje alfa čestica. Ali laboratorij je dugo bio prazan. Naoružan pouzdanim metodama detekcije, prešao je na nove eksperimente, u kojima su sudjelovali i Geiger i talentirani, iako još nediplomirani, Ernest Marsden.

Sudbina 20-godišnjeg (1909.) Marsdena bila je nevjerojatno slična sudbini samog Rutherforda. Marsden je također došao iz jednostavnog porijekla. Njegov otac radio je u provincijskoj tvornici tekstila u Lancashireu u Engleskoj, izrađujući pamučne tkanine. Rutherford se preselio iz rodnog Novog Zelanda u Englesku - za Marsdena se sve kasnije pokazalo upravo suprotno. Oboje su počeli izvoditi zanimljive pokuse još dok su bili na sveučilištu. Što se tiče Marsdena, prije nego što je završio studij, on je već bio pozvan da testira svoje talente.

Rutherford se kasnije prisjetio tog pitanja za zagrijavanje, koje je rezultiralo plodnom suradnjom između Geigera i Marsdena. “Jednog dana Geiger mi je prišao i rekao: “Možda je vrijeme da mladi Marsden malo istraži?” Već sam razmišljao o tome, pa sam odgovorio: "Onda neka vidi ima li alfa čestica raspršenih pod velikim kutovima."20

Rutherford, poznat po svojoj sposobnosti postavljanja pravih pitanja u pravo vrijeme, smatrao je da bi, ako bi se alfa čestice iznenada pojavile, odletjevši iz metala, to dalo trag o strukturi materije. Njega je, naravno, zanimalo što će se dogoditi, ali nije polagao velike nade u pozitivan ishod eksperimenta. Ali ova se opcija nije mogla potpuno isključiti. Nikad se ne zna, odjednom se unutra krije nešto od čega će se čestice odbijati. Bila bi grehota ne okušati sreću.

U nekim posebno osjetljivim mjerenjima, fizičari čestica moraju biti poput noćnih životinja koje vrebaju za plijenom. Možete uhvatiti i najmanji njezin pokret ako samo dobro vidite u mraku. U ovoj djelatnosti prednost imaju mladi znanstvenici. I to ne zbog boljeg vida, već zbog strpljenja. Nije iznenađujuće da su Rutherford i Geiger dodijelili dvadesetogodišnjem Marsdenu da prati raspršenje alfa čestica. Dobio je upute da zavjese prozore što je čvršće moguće, zatim sjedne i pričeka dok se zjenice dovoljno ne rašire da uhvate i najmanji tračak svjetla sa svih strana. Tek tada je bilo moguće započeti promatranja.

Marsden je pored staklene ampule koja je sadržavala spojeve radija stavio ploče različitih debljina i od različitih metala (olovo, platina i dr.) i čekao da alfa čestice koje izlaze iz ampule udare u ploču i prođu kroz nju ili se odbiju. Zaslon s cink sulfidom služio je kao scintilator. Pokazalo je koliko se čestica reflektiralo i pod kojim kutovima. Završivši sa sljedećim metalom, Marsden je Geigeru pokazao podatke sa svim sjajima koje su primijetile njegove oštre oči. Zajedno su otkrili da tanki listovi zlata proizvode najviše refleksija. Ali i oni uglavnom propuštaju alfa čestice, kao da je folija s onoga svijeta. A kad bi se povremeno javljale refleksije, čestice su imale tendenciju odbijanja pod vrlo velikim kutovima (90 stupnjeva ili više). Posljedično, oni su se očito raspršili na nekim čvrstim kondenzacijama u dubinama zlata.

Sijajući od radosti, Geiger je otrčao do Rutherforda i, na njegovo veliko oduševljenje, objavio: "Napokon smo pronašli alfa čestice koje poskakuju!"

“Bio je to najnevjerojatniji događaj u mom životu”, prisjetio se Rutherford. “To je gotovo jednako nevjerojatno kao da ste bacili granatu od 15 inča na ekran od papirnate maramice i ona se odbila natrag na vas.”21

Ako je atom, kao što je mislio Thomson, doista poput pudinga od grožđica, tada amorfna mješavina naboja unutar atoma zlata ne bi trebala snažno skrenuti alfa čestice koje lete u foliju, a onda bi se one češće raspršile pod malim kutovima. Ali Geiger i Marsden učinili su nešto drugačije. Kao da dobar igrač bejzbola sjedi u atomu: kada je projektil u zoni udarca, napadač ga udara svom snagom, a ako projektil prijeđe ovu zonu, slobodno leti dalje.

Godine 1911. Rutherford je umjesto Thomsonova modela odlučio predložiti vlastiti. "Mislim da sam smislio mnogo bolji atom od Jayjaya", podijelio je s kolegom 22 . U članku je iznio revolucionarnu ideju da svaki atom ima sićušnu, pozitivno nabijenu jezgru u svom središtu, koja sadrži najveći dio mase atoma. Kad su se alfa čestice sudarile s atomima zlata, odbacio ih je ovaj šišmiš, a i tada su samo oni najprecizniji uspjeli pogoditi oko.

Ispada da se atom uglavnom sastoji od praznine. Jezgra zauzima jadni djelić njenog volumena, sve ostalo je ništavilo bez dna. Ako povećate atom na veličinu Zemlje, jezgra bi bila otprilike promjera nogometnog stadiona. Rutherford je živopisno usporedio pucanje u metu s pokušajem lociranja komarca u Royal Albert Hallu, ogromnoj koncertnoj dvorani u Londonu.

Unatoč svojoj maloj veličini, jezgra igra važnu ulogu u određivanju svojstava atoma. Rutherford je pretpostavio da položaj atoma u periodnom sustavu, ili, drugim riječima, atomski broj, ovisi o veličini pozitivnog naboja jezgre. U vodiku je nuklearni naboj jednak u apsolutnoj vrijednosti naboju elektrona, a za ostale elemente taj se naboj mora pomnožiti s atomskim brojem. Na primjer, zlato, 79. element, ima pozitivan nuklearni naboj jednak sedamdeset devet naboja elektrona. Pozitivni središnji naboj uravnotežen je odgovarajućim brojem negativno nabijenih elektrona. Kao rezultat toga, atom je električki neutralan, ako nije ioniziran. Kao što je Rutherford tvrdio, ti su elektroni ravnomjerno raspoređeni po kugli sa središtem u jezgri.

Iako je Rutherfordov model podigao fiziku na novu razinu, neka su pitanja ostala otvorena. Savršeno je objasnio pokuse Geiger-Marsdenovog raspršenja, ali mnoga eksperimentalna svojstva atoma poznata u to vrijeme ostala su misterij. Uzmimo, na primjer, spektralne linije - u okviru modela nije bilo jasno zašto u vodiku, heliju i drugim elementima one tvore karakterističan uzorak. Ako su elektroni u atomu ravnomjerno izmiješani, zašto su atomski spektri tako heterogeni? I gdje u ukupnoj slici možemo pronaći mjesto za Planckovu kvantnu ideju i Einsteinov fotoelektrični efekt, u kojem elektron prima i otpušta energiju u konačnim dijelovima?

Sretnom slučajnošću, u proljeće 1912. godine, u Rutherfordov laboratorij stigao je gost iz Danske, čije je znanje dobro došlo. Niels Bohr, snažno građen mladić krupnih crta lica, nedavno je obranio disertaciju u Kopenhagenu i nakon šest mjeseci provedenih kod Thomsona u Cambridgeu otišao je u Manchester. Unaprijed je napisao pismo Rutherfordu, rekavši da mu ne bi smetalo raditi na radioaktivnosti. Od Thomsona je znao za Rutherfordovu ideju jezgre i želio je detaljnije proučiti njezine posljedice. Jednom, dok je Bohr izračunavao proces sudara alfa čestica s atomima, pala mu je na pamet hipoteza: što ako energija elektrona koji oscilira u blizini jezgre poprimi strogo definirane vrijednosti, višekratnike Planckove konstante? Tako je Bohr jednim potezom ubacio atome u kaleidoskop kvantne teorije.

Vrativši se u Kopenhagen u ljeto te godine, Bohr je nastavio razmišljati o strukturi atoma. Zanimalo ga je pitanje zašto se atomi spontano ne urušavaju. Nešto mora zadržati negativne elektrone kako se ne bi zabili u pozitivno nabijenu jezgru, poput meteorita u Zemlju. U Newtonovoj fizici postoji posebna očuvana veličina, kutni moment (kutni moment). Jednostavno rečeno, kada tijelo rotira, i broj okretaja i smjer osi nastoje ostati nepromijenjeni. Naime, umnožak mase, brzine i polumjera orbite često je konstantna veličina. Nije uzalud da se klizač počinje vrtjeti brže kada svoje orbite pritisne samo s određenom energijom. Odnosno, elektroni se mogu nalaziti samo na određenim udaljenostima od atomske jezgre, odnosno, drugim riječima, zauzimati diskretne razine - kvantna stanja.

Bohrovo nagađanje odmah je omogućilo veliki napredak u pitanju zašto su skupovi spektralnih linija u atomima upravo takvi kakvi jesu, a ne neki drugi. U Bohrovom modelu atoma elektroni, ako se nalaze u nekom specifičnom kvantnom stanju, ne primaju niti otpuštaju energiju – kao da poput planeta lete po apsolutno stabilnoj, idealnoj orbiti. Prema Bohru, elektroni su, grubo govoreći, nešto poput malih Merkura i Venera koji kruže oko Sunčeve jezgre. Ali umjesto sile gravitacije, prema središtu ih vuče elektrostatska sila koja djeluje iz pozitivno nabijene jezgre. Tu, međutim, završava analogija sa Sunčevim sustavom, a Bohrova teorija tada poprima potpuno drugačiji smjer. Za razliku od planeta, elektroni ponekad skaču iz jednog kvantnog stanja u drugo, u jezgru ili, obrnuto, iz jezgre. Skokovi su nepredvidivi i trenutni, a elektron dobiva ili gubi energiju ovisno o tome hoće li skočiti na višu ili nižu razinu. Kao i kod fotoelektričnog efekta, frekvencija rezultirajućeg zračenja može se izračunati dijeljenjem prenesene energije s Planckovom konstantom. Sami dijelovi energije kasnije su nazvani fotoni ili čestice svjetlosti. Dakle, karakteristične linije boja u emisijskim spektrima vodika i drugih elemenata objašnjavaju se činjenicom da elektron, odbacujući svjetlosni balast, čini neku vrstu ronjenja. Što dublje ide, veća je frekvencija. Bohrov model bio je trijumfalan. Njezina su se predviđanja iznenađujuće točno podudarala s poznatim formulama koje daju udaljenost između spektralnih linija vodika.

U zimu 1913. Bohr je o rezultatima izvijestio Rutherforda i, na svoje razočaranje, od njega je dobio prilično mješovit odgovor. Praktično razmišljajući Rutherford je pronašao ono što mu se činilo kao velika mana u modelu. Napisao je Bohru: “Otkrio sam ozbiljnu poteškoću u vezi s vašom hipotezom, koje ste bez sumnje potpuno svjesni; to je sljedeće: kako elektron može znati na kojoj bi frekvenciji trebao oscilirati kada prelazi iz jednog stacionarnog stanja u drugo? Čini mi se da ste prisiljeni pretpostaviti da elektron unaprijed zna gdje će se zaustaviti." 23

Ovom prikladnom primjedbom Rutherford je identificirao jednu od glavnih nedosljednosti u Bohrovom atomskom modelu. Kako znati kada će točno elektron napustiti spokoj svog trenutnog stanja i krenuti u potragu za avanturom? Kako znaš koju će državu izabrati? Borovljev model tu je bio nemoćan. Upravo se to Rutherfordu nije svidjelo.

Odgovor na Rutherfordove primjedbe primljen je tek 1925., ali je i on doveo do zbunjenosti među mnogima. Do tog vremena Bohr je stekao vlastiti Institut za teorijsku fiziku u Kopenhagenu (sada Institut Niels Bohr), a cijela galaksija mladih znanstvenika radila je pod njegovim vodstvom. Među njima se isticao njemački fizičar Werner Heisenberg (1901.-1976.), koji se školovao u Münchenu i Göttingenu. Upravo je on predložio alternativni opis ponašanja elektrona u atomu. Njegov model također nije objasnio, Zašto elektroni skaču, ali je omogućio točan izračun kolika je vjerojatnost da će to učiniti.

Heisenbergova "matrična mehanika" uvela je nove apstraktne koncepte u fiziku, što je uvelike zbunilo znanstvenike stare škole, a neprijateljski su ih dočekali neki istaknuti fizičari koji su razumjeli što ti koncepti podrazumijevaju. Jedan od upečatljivih primjera je Einstein, koji je bio nepomirljivi protivnik matrične mehanike. Bacila je pokrivač neizvjesnosti na atom - i na cijelu prirodu na ovim i manjim skalama, izjavljujući: ne mogu se sva fizička svojstva mjeriti odjednom.

S duhom bunta karakterističnim za mladost, Heisenberg je započeo svoje izlaganje odbacivanjem većine ideja koje su vladale među njegovim starijima. Odbio je percipirati elektron kao česticu koja kruži i zamijenio ga je čistom apstrakcijom: matematičkim stanjem. Kako bi izračunao položaj, zamah (masa puta brzina) i druga vidljiva fizikalna svojstva, Heisenberg je pomnožio ovo stanje s različitim količinama. Njegov znanstveni nadzornik, göttingenski fizičar Max Born, predložio je da se te veličine zapišu u obliku tablica ili matrica. Otuda izraz "matrična mehanika" (sinonim za kvantnu mehaniku). Naoružan snažnim matematičkim aparatom, Heisenberg više nije vidio prepreke na svom putu do dubina atoma. Zatim se prisjetio: “Imao sam osjećaj da mi se kroz površinu atomskih pojava otkriva nešto nevjerojatno lijepo i gotovo mi se zavrtjelo u glavi pri pomisli da ću uroniti u ovaj bogati svijet matematičkih struktura koje je priroda tako velikodušno predstavljen mi. raširen" 24.

U klasičnoj Newtonovoj fizici položaj i zamah mogu se mjeriti istovremeno. U kvantnoj mehanici, kako je elegantno pokazao Heisenberg, to uopće nije slučaj. Ako na stanje djelujete pomoću matrica koordinata i momenta, redoslijed ovih operacija je od velike važnosti. Kada prvo primijenite koordinatnu matricu, a zatim matricu momenta, odgovor će najvjerojatnije biti drugačiji nego kada učinite suprotno: prvo moment, a potom koordinate. Operacije kod kojih je bitan redoslijed izvršenja nazivaju se nekomutativnima. Svima su nam dobro poznate komutativne mogućnosti: u aritmetici to su množenje i zbrajanje (“iz mijenjanja mjesta članova...”). Zbog nekomutativnosti, postaje nemoguće istovremeno poznavati obje fizikalne veličine sa savršenom točnošću. Heisenberg je ovu činjenicu formulirao u obliku načela neodređenosti.

Na primjer, ako fiksirate položaj elektrona, Heisenbergovo načelo nesigurnosti u kvantnoj mehanici osigurava da je zamah razmazan što je više moguće. Ali zamah je proporcionalan brzini, što znači da nam elektron ne može u isto vrijeme reći gdje se nalazi i kojom brzinom leti. Elektron ima ne samo sedam, nego nitko ne zna koliko petaka u tjednu. Da se planeti ponašaju kao elektroni, drevni bi astrolozi napustili svoj posao prije nego što su uopće počeli.

Iako je, prema Heisenbergu, kvantna mehanika po svojoj prirodi svojstvena neizvjesnosti, ona daje recept kako izračunati vjerojatnost. Odnosno, ne jamči da ćete dobiti okladu, ali vam govori kolike su vam šanse. Recimo, kvantna mehanika daje vjerojatnost da će elektron skočiti iz danog položaja u neki drugi. Ako je ta vjerojatnost nula, sigurno znate da je takav prijelaz zabranjen. Ako nije, razriješi se, a linije s odgovarajućom frekvencijom mogu se vidjeti u atomskom spektru.

Godine 1926. fizičar Erwin Schrödinger predložio je lakšu verziju kvantne mehanike, nazvanu valna mehanika. Razvijajući teoriju koju je izgradio Francuz Louis de Broglie, Schrödinger je počeo tumačiti elektrone kao "valove materije". Nešto poput svjetlosnih valova, ali predstavljeno ne elektromagnetskim zračenjem, već materijalnim česticama. Kako te valne funkcije reagiraju na fizičke sile opisano je Schrödingerovom jednadžbom. Recimo, u atomu valne funkcije elektrona pod utjecajem elektrostatskog privlačenja iz jezgre tvore “oblake” različitih oblika, energija i različitih prosječnih udaljenosti od središta. Ovi oblaci nemaju nikakav materijalni sadržaj. One samo pokazuju kolika je vjerojatnost da će elektron završiti na određenoj točki u prostoru.

Ove valne strukture mogu se usporediti s vibracijama žice gitare. Na žici učvršćenoj na oba kraja nakon trzanja pojavljuje se stojni val. Ležeći na plaži, vidimo trčeće valove koji se valjaju na obalu. Nasuprot tome, stojni val je predodređen da se kreće samo gore-dolje. Ali čak i uz takvo ograničenje, može imati nekoliko vrhova (maksimuma): jedan, dva ili više - glavna stvar je da taj broj mora biti cijeli broj, a ne razlomak. Valna mehanika uspostavlja korespondenciju između glavnog kvantnog broja elektrona i broja maksimuma, što prirodno objašnjava zašto ta određena stanja postoje, a ne druga.

Na veliku Heisenbergovu žalost, mnogi njegovi kolege više su voljeli Schrödingerovu sliku. Možda zato što su im valni procesi bili nekako bliži - postojala je analogija i sa zvukom i sa svjetlom... Matrice su izgledale previše apstraktno. No, pronicljivi bečki fizičar Wolfgang Pauli dokazao je da su Heisenbergov i Schrödingerov model potpuno ekvivalentni. To je poput digitalnih i analognih zaslona - niti jedan nije inferioran drugome, a koji odabrati je stvar ukusa.

Sam Pauli ostavio je nasljeđe kvantnoj mehanici: ideju da dva elektrona ne mogu zauzeti isto kvantno stanje. Paulijev princip isključenja naveo je dvojicu nizozemskih znanstvenika, Samuela Goudsmita i Georga Uhlenbecka, na ideju da se elektron može poravnati u dva smjera, odnosno da ima spin. Kao što ime govori vrtjeti -"brza rotacija"), spin karakterizira unutarnji kutni moment elektrona. No, iznad svega, zanimljiva su svojstva spina u odnosu na magnetsko polje. Ako stavite elektron u okomito magnetsko polje (recimo, unutar magnetske zavojnice), elektron će, poput mini-magneta, biti okrenut ili u smjeru polja ("okrenuti se gore") ili protiv njega ("okrenuti se prema dolje" ”).

Elektron je sluga dva gospodara: obično postoji u mješovitom stanju, gdje su pozicije "spin up" i "spin down" zastupljene u jednakim udjelima. Čekaj, kako ista čestica može imati dva međusobno isključiva svojstva? U svakodnevnom životu igla kompasa ne može istovremeno pokazivati ​​i sjever i jug, ali u kvantnom svijetu postoje drugačija pravila igre. Sve dok ne izmjerimo spin, prema principu neodređenosti, on nema jasno definiranu vrijednost. Ali tada eksperimentator uključuje vanjsko magnetsko polje, a zatim elektron okreće svoj spin gore ili dolje - dolazi do kolapsa valne funkcije, kako kažu.

Recimo da su dva elektrona u snopu. Onda, ako jedan ima vrtnju koja strši gore, drugi se odmah okreće prema dolje. Ovaj preokret se događa čak i ako su elektroni udaljeni. U ovom kontraintuitivnom fenomenu Einstein je vidio trikove "duha dugometnog djelovanja". Zbog tih čudnih odnosa Einstein je bio uvjeren da će kvantnu mehaniku jednog dana zamijeniti dublja i jasnija teorija.

Što se tiče Bohra, on se nije odricao paradoksa, naprotiv, osjećao se kao riba u vodi među nespojivim pojmovima. Na primjer, on je bio taj koji je formulirao princip komplementarnosti, koji kaže da je elektron i val i čestica. S vremena na vrijeme Bohr također nije bio nesklon izgovoriti neki drugi aforizam. Jednom je rekao: “Duboka istina je istina čija je suprotnost također duboka istina.” Sasvim je u njegovom duhu bilo staviti taoistički simbol jedinstva suprotnosti - yin-yang - u samo središte svog grba.

Unatoč svom nepopustljivom filozofskom stajalištu, Einstein se složio s Bohrom da je kvantna mehanika izvrsno objašnjenje eksperimentalnih podataka. Jedan od znakova priznanja njezinih zasluga bila je Einsteinova nominacija Heisenberga i Schrödingera za Nobelovu nagradu za fiziku. Heisenberg ga je dobio 1932., a Schrödinger je 1933. podijelio tu čast s britanskim kvantnim mehaničarom Paulom Diracom. (Einstein i Bohr bili su laureati 1921., odnosno 1922.)

Rutherford je, međutim, nastavio s oprezom postupati s kvantnom teorijom i svoju je glavnu pozornost posvetio eksperimentalnim studijama atomske jezgre. Godine 1919. Thomson je dao ostavku na svoju titulu profesora Cavendish i napustio mjesto direktora Laboratorija Cavendish, a Rutherford je preuzeo tu počasnu dužnost. Tijekom svoje posljednje godine u Manchesteru i prvih godina nakon preseljenja u Cambridge, bombardirao je razne jezgre brzim alfa česticama. Marsden je jednom primijetio da s mjesta gdje alfa čestice udaraju u plin vodik počinju letjeti još brže čestice s većom moći prodora. Ispostavilo se da su to jezgre vodikovih atoma. Rutherford je ponovio Marsdenove eksperimente, ali je vodik zamijenio dušikom. Zamislite njegovo iznenađenje kada su i jezgre vodika počele izletjeti iz dušika. Istina, scintilacije vodikovih jezgri koje ulaze u fluorescentni ekran nisu bile jako svijetle i mogle su se vidjeti samo kroz mikroskop. No pružili su neporeciv dokaz da atomi dušika mogu emitirati čestice iz svojih dubina. Otkriće radioaktivnosti pokazalo je da se atomi mogu spontano transformirati jedni u druge (podvrgnuti se transmutaciji), a iz Rutherfordovih pokusa bombardiranja bilo je moguće umjetno promijeniti izgled atoma.

Rutherford je počeo nazivati ​​pozitivno nabijene čestice koje su dio svih jezgri protonima. Drugi su ih znanstvenici htjeli nazvati "pozitivnim elektronima", ali Rutherford se tome oštro protivio. Odgovorio je da su protoni puno teži od elektrona i da općenito nemaju mnogo toga zajedničkog. Kada se Diracovo predviđanje obistinilo i kada je otkriven pravi pozitivno nabijen elektron, dobio je naziv "pozitron". Pozitroni su postali prvi poznati predstavnik takozvane antimaterije, koja je u svemu slična običnoj materiji, ali ima naboj suprotnog predznaka. Protoni su pak sastavni dio nama poznate materije.

Rutherfordu i njegovim suradnicima priskočio je u pomoć novi detektor čestica, oblačna komora. Omogućio je promatranje tragova čestica (na primjer, protona) koje lete iz ciljne jezgre. Dok su scintilacijski i Geigerovi brojači samo davali tok emitiranih čestica, komora s oblakom mogla bi pokazati kako se te čestice kreću kroz prostor, čime bi pomogla boljem razumijevanju njihovih svojstava.

Izumio ga je škotski fizičar Charles Wilson. Dok se penjao na planinu Ben Nevis, primijetio je da se u vlažnom zraku kapljice vode lakše kondenziraju u prisutnosti iona, odnosno nabijenih čestica. Naboji privlače molekule i one se talože iz zraka, ostavljajući kondenzacijski trag u području zasićenom elektricitetom. Wilson je shvatio da je na taj način moguće registrirati oku nevidljive čestice. Uzeo je komoru, napunio je hladnim, vlažnim zrakom i počeo promatrati lance kondenzirane pare od nabijenih čestica koje su letjele pokraj nje. Mlazni avioni ostavljaju isti trag na nebu. Ovi tragovi, uhvaćeni na fotografijama, pružaju mnoštvo vrijednih informacija o napretku eksperimenta.

Iako je Wilson sastavio prvi prototip svoje komore 1911., one su se počele koristiti u nuklearnoj fizici tek 1924. Tada je Patrick Blackett, postdiplomac u Rutherfordovoj grupi, upotrijebio ovaj uređaj za detekciju protona iz radioaktivnog raspada dušika. . Njegovi su se podaci izvrsno slagali s Rutherfordovim scintilacijskim pokusima, pružajući tako nepobitne dokaze o umjetnom nuklearnom raspadu.

Jezgru ne naseljavaju samo protoni. Rutherford je 1920. svojim legendarnim šestim čulom pogodio da osim protona jezgra služi i kao utočište nekim neutralnim česticama. Dvadeset godina kasnije, Rutherfordov učenik James Chadwick otkrio je neutron - iste mase kao proton, ali bez naboja, a Heisenberg je ubrzo nakon toga napisao povijesni članak "O strukturi atomske jezgre", gdje je iznio danas prihvaćeni model atomske jezgre. jezgra koja se sastoji od protona i neutrona.

Ova slika može objasniti različite vrste radioaktivnosti. Alfa raspad događa se kada jezgra emitira dva protona i dva neutrona u isto vrijeme - izuzetno stabilna kombinacija. Beta raspad se tada odvija kada neutron proizvede proton i elektron. Beta zračenje sastoji se upravo od ovih elektrona. No, kako je pokazao Pauli, priča tu ne završava: u raspadu neutrona određena količina zamaha i energije negdje nestaje. Pauli ih je odlučio pripisati gotovo neuhvatljivoj čestici, koja je kasnije otkrivena i nazvana neutrino. Konačno, gama komponenta se javlja kada jezgra prijeđe iz visokoenergetskog kvantnog stanja u niskoenergetsko stanje. Alfa i beta raspadom mijenja se broj protona i neutrona u jezgri, te nastaje novi kemijski element, dok gama zrake ostavljaju sastav jezgre nepromijenjenim.

Rutherfordova briljantna otkrića i metode naučili su nas lekciju: kako bismo zavirili u prirodni svijet na malim udaljenostima, moramo se okrenuti elementarnim česticama. U osvit nuklearne fizike njihov izvor bile su radioaktivne tvari iz kojih su prštale alfa čestice. Bili su idealno prikladni za eksperimente raspršenja, iz kojih su Geiger i Marsden vidjeli da atom ima minijaturnu jezgru. Ali Rutherford je već shvatio: bez energetskih alata nema o čemu razmišljati da bismo ozbiljnije i dublje prodrli u prirodu jezgre. Za nuklearnu tvrđavu trebat će vam posebno jak ram, odnosno ovnovi - čestice ubrzane u umjetnim uvjetima do fenomenalno velikih brzina. Rutherford je, ne bez razloga, odlučio da će Cavendish Laboratory moći izgraditi akcelerator čestica, iako bi njegova implementacija, priznao je znanstvenik, zahtijevala određene teorijske napore. Srećom, jedan bistar mladić uspio se iskrasti iz Staljinove tvrđave i ponijeti torbu kvantnog znanja sa sobom u Free School Lane.

Rutherfordovi pokusi raspršenja alfa čestica Nuklearni model atoma.

Poznato je da riječ "atom" u prijevodu s grčkog znači "nedjeljiv". Engleski fizičar J. Thomson razvio je (potkraj 19. stoljeća) prvi "model atoma", prema kojem je atom pozitivno nabijena kugla unutar koje lebde elektroni. Model koji je predložio Thomson zahtijevao je eksperimentalnu provjeru, budući da se fenomeni radioaktivnosti i fotoelektrični efekt ne mogu objasniti pomoću Thomsonovog atomskog modela. Stoga je 1911. godine Ernest Rutherford proveo niz eksperimenata za proučavanje sastava i strukture atoma. U ovim pokusima, uski snop a -čestice emitirane radioaktivnom tvari usmjeravale su se na tanku zlatnu foliju. Iza njega je bio zaslon koji je mogao svijetliti pod udarima brzih čestica. Utvrđeno je da je većina a -čestice odstupaju od linearnog širenja nakon prolaska kroz foliju, tj. raspršuju se, a neke a -čestice se bacaju natrag 180 0 .

Trajektorije A-čestice koje lete na različitim udaljenostima od jezgre

Laseri

Na temelju kvantne teorije zračenja izgrađeni su kvantni generatori radiovalova i kvantni generatori vidljive svjetlosti – laseri. Laseri proizvode koherentno zračenje vrlo velike snage. Lasersko zračenje ima vrlo široku primjenu u raznim područjima znanosti i tehnologije, na primjer, za komunikaciju u svemiru, za snimanje i pohranu informacija (laserski diskovi) i zavarivanje, u medicini.

Emisija i apsorpcija svjetlosti atoma

Prema Bohrovim postulatima, elektron može biti u nekoliko specifičnih orbita. Svaka elektronska orbita odgovara određenoj energiji. Kada se elektron kreće iz bliže u dalju orbitu, atomski sustav apsorbira kvantu energije. Kada se elektron kreće iz udaljenije orbite u bližu orbitu u odnosu na jezgru, atomski sustav emitira kvantum energije.

Spektri

Bohrova teorija omogućila je objašnjenje postojanja linijskih spektara.
Formula (1) daje kvalitativnu ideju o tome zašto su spektri atomske emisije i apsorpcije iscrtani. Zapravo, atom može emitirati valove samo onih frekvencija koje odgovaraju razlikama u vrijednostima energije E 1 , E 2 , . . . , E n ,. . Zato se emisijski spektar atoma sastoji od zasebno smještenih oštrih svijetlih linija. U isto vrijeme, atom može apsorbirati ne bilo koji foton, već samo jedan s energijom hνšto je točno jednako razlici E n − Ek neke dvije dopuštene energetske vrijednosti E n I Ek. Prijelaz u stanje više energije E n, atomi apsorbiraju točno iste fotone koje su sposobni emitirati tijekom obrnutog prijelaza u izvorno stanje Ek. Jednostavno rečeno, atomi iz kontinuiranog spektra uzimaju one linije koje sami emitiraju; Zbog toga se tamne linije apsorpcijskog spektra hladnog atomskog plina nalaze upravo na onim mjestima gdje se nalaze svijetle linije spektra emisije istog plina u zagrijanom stanju.

Kontinuirani spektar

Računalni program simulira Rutherfordov klasični eksperiment sondiranja atoma alfa česticama, na temelju čijih je rezultata predložen planetarni model strukture atoma .

Prve izravne pokuse proučavanja unutarnje strukture atoma izveli su E. Rutherford i njegovi suradnici E. Marsden i H. Geiger 1909.–1911.

Rutherford je predložio korištenje atomskog sondiranja pomoću α-čestica, koje nastaju tijekom radioaktivnog raspada radija i nekih drugih elemenata. Masa alfa čestica je otprilike 7300 puta veća od mase elektrona, a pozitivni naboj jednak je dvostrukom elementarnom naboju. Rutherford je u svojim pokusima koristio α-čestice kinetičke energije oko 5 MeV (brzina takvih čestica je vrlo velika - oko 107 m/s, ali ipak znatno manja od brzine svjetlosti).

α čestice su potpuno ionizirani atomi helija. Otkrio ih je Rutherford 1899. proučavajući fenomen radioaktivnosti. Rutherford je tim česticama bombardirao atome teških elemenata (zlato, srebro, bakar itd.). Elektroni koji čine atome zbog male mase ne mogu zamjetno promijeniti putanju α čestice. Raspršenje, odnosno promjenu smjera gibanja α-čestica, može izazvati samo teški, pozitivno nabijeni dio atoma. Dijagram Rutherfordovog eksperimenta prikazan je na sl. 1.

Iz radioaktivnog izvora zatvorenog u olovnom spremniku, alfa čestice su usmjerene na tanku metalnu foliju. Raspršene čestice padale su na zaslon prekriven slojem kristala cinkovog sulfida, sposobnih zasvijetliti kad ih pogode brze nabijene čestice. Scintilacije (bljeskovi) na ekranu promatrane su okom pomoću mikroskopa. Promatranja raspršenih α čestica u Rutherfordovom pokusu mogla su se provoditi pod različitim kutovima φ u odnosu na izvorni smjer snopa. Utvrđeno je da većina α čestica prolazi kroz tanki sloj metala s malim ili nikakvim otklonom. Međutim, mali dio čestica otklonjen je pod značajnim kutovima većim od 30°. Vrlo rijetke alfa čestice (otprilike jedna od deset tisuća) bile su otklonjene pod kutovima blizu 180°.

Pokusi Rutherforda i njegovih kolega doveli su do zaključka da se u središtu atoma nalazi gusta, pozitivno nabijena jezgra, čiji promjer ne prelazi 10 –14 –10 –15 m. Ova jezgra zauzima samo 10 –12 ukupnog volumena atoma, ali sadrži svi pozitivnog naboja i najmanje 99,95% svoje mase. Naboj jezgre mora biti jednak ukupnom naboju svih elektrona koji čine atom.

Na temelju klasičnih ideja o kretanju mikročestica, Rutherford je predložio planetarni model atoma . Prema tom modelu, u središtu atoma nalazi se pozitivno nabijena jezgra u kojoj je koncentrirana gotovo sva masa atoma. Atom kao cjelina je neutralan. Elektroni rotiraju oko jezgre, poput planeta, pod utjecajem Coulombovih sila iz jezgre. Elektroni ne mogu mirovati jer bi pali na jezgru.

Rutherfordov planetarni model atoma bio je veliki korak naprijed u razvoju znanja o strukturi atoma. Bilo je prijeko potrebno objasniti pokuse o raspršenju α-čestica, ali se pokazalo da ne može objasniti samu činjenicu dugog postojanja atoma, odnosno njegovu stabilnost. Prema zakonima klasične elektrodinamike, naboj koji se kreće ubrzano trebao bi emitirati elektromagnetske valove koji odnose energiju. U kratkom vremenu (oko 10–8 s), svi elektroni u Rutherfordovom atomu moraju potrošiti svu svoju energiju i pasti na jezgru. Činjenica da se to ne događa u stabilnim stanjima atoma pokazuje da se unutarnji procesi u atomu ne pokoravaju klasičnim zakonima.

Korisnik ima priliku:

• promatrati raspršenje čestica na nepokretnoj zlatnoj jezgri;
• promijeniti udaljenost udarca i početnu brzinu čestice;
• izmjeriti kut raspršenja čestica;
• proučavati krivulju raspršenja pri bombardiranju jezgre zlata strujom čestica zadane energije u automatskom načinu rada.