§3.13. Атом – Солнечная система в миниатюре?

После открытия Томсоном электрона встал очередной вопрос: а как всё же устроен атом вещества?

Сам Томсон считал, что атом состоит из положительно заряженного вещества,

внутрь которого вкраплены электроны, так что атом напоминает пудинг ( пирог ) с изю-

мом ( что ждать от англичан, у них пудинг – любимое блюдо на десерт ! ).

Немецкий физик Филипп Ленард в 1903 году предложил модель «пустого» атома, внутри которого «летают» какие-то никем не обна­руженные нейтральные частицы, состав

ленные из взаимно уравновешен­ных положительных и отрицательных зарядов.

Ленард даже дал название для своих несуществующих частиц — динамиды...

Однако единственной, право на существование которой доказывалось строгими, простыми и красивыми опытами, стала модель Резерфорда.

Резерфорд Э. ( 1871-1937 )

Эрнест Резерфорд – английский физик. Основоположник ядерной физики. Иссле-

дования в области радиоактивно­сти, атомной и ядерной физике. Предсказал существова-

ние трансурановых элементов ( элементов с порядковым номером, большим 235 по табли-

це Меделеева ) .

Э. Резерфорд родился в Спринг-Броуве (сейчас Брайтуотер) в Но­вой Зеландии ( се-

вернее Австралии ). Окончил Кентерберийский колледж Новозеландского университета в Крайст­черче (1894).

В 1895-98 гг. работал в Кавендишской лаборатории под руководством Дж. Дж. Том

сона ( !!! ) , в 1898 - 1907 гг. - профессор Мак-Гиллского университета в Квебеке (Канада), в 1907 – 1919 гг. - профессор Манчестерского ун­та и директор физической лаборатории.

С 1919 г. - профессор Кембриджского университета и директор Кавендишской лабо

ратории.

Исследования посвящены радиоактивно­сти, атомной и ядерной физике. Своими фун­даментальными открытиями в этих областях заложил основы современного учения о ра­диоактивности и теории строения атома.

В 1899 г. открыл альфа- и бета-лучи, в 1900 г. ввел понятие пе­риода полураспада. В 1902 - 03 гг. разработал теорию радиоактив­ного распада и установил закон радио

ак­тивных превращений.

В 1903 доказал, что альфа-лучи состоят из положительно заря­женных частиц.

Тогда же предсказал существование трансура­новых элементов.

В 1908 вместе с Г. Гейгером сконструиро­вал прибор для регистрации отдельных заря­женных частиц (счетчик Гейгера).

В 1911 г. обнаружил в атоме ядра плотного образования диаме­тром около 10 см, заряженного положи­тельно, и созданию новой модели атома - планетарной (модель атома Резерфорда).

Рис. 3.11. Модели атома вещества: объёмная ( а ); на плоскости ( б );

( черные точки на левом рисунке – электроны )

В соответствии с электронной теорией строения атома, все окружающие нас веще­ства состоят из мельчайших частиц - атомов.

Атом, в свою очередь, состоит из более мелких частиц, основными из которых яв-

ляются электроны, протоны и нейтроны.

При этом электроны имеют отрицательный электрический заряд

( кулона ), протоны – положительный и равный заряду электрона, а нейтроны не имеют заряда.

В центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг ядра вращаются электроны.

Поскольку масса протона в 1840 раз больше массы электрона, основная часть мас-

сы атома сосредоточена в ядре.

В нормальном состоянии атом со­держит одинаковое количество протонов и элект-

ронов и поэтому элек­трически нейтрален

Количество протонов, нейтронов и электронов в атоме зависит от типа химическо-

го элемента, составной частью которого он является. Так, например, в атоме водорода во-

круг ядра вращается только один электрон ( рис. 3.12 ), в атоме меди - 29, в атоме золота - 79 и т. д.

Рис. 3.12. Строение атома водорода ( порядковый номер в таблице Менделе-

ева – 1 )

Число электронов, вращающихся вокруг ядра, всегда равно порядко­вому номеру элемента в периодической системе элементов Д. И. Мен­делеева.

Например, атом 92-го элемента таблицы (урана) имеет 92 электрона, вращающихся вокруг ядра по многочисленным орбитам.

Вращающиеся в атоме электроны, которые расположены на внеш­них орбитах, свя-

заны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на внутренних, близких к ядру орбитах.

Поэтому под действием сосед­них атомов или вследствие других причин внешние электроны могут покинуть свою орбиту, что повлечет за собой изменение электрического состояния атома.

Электроны, расположенные на внешних орбитах ато­мов, называются валентными. Они определяют химиче­скую активность вещества, т. е. участвуют в создании химической связи между атомами.

Электроны, освободившиеся от внутриатомных связей, получили название свобод

ных электронов. Они перемещаются внутри вещества между атомами в различных направ

ле­ниях и с различными скоростями.

При наличии внешнего электрического поля беспорядочное дви­жение свободных электронов становится упорядоченным, направленным. В результате возникает электри-

ческий ток.

Чем больше свободных электронов имеет вещество, тем выше его электропровод

ность. Этим и объясняется хорошая проводимость металлов, а также деление твердых тел по способности их проводить электриче­ский ток на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Теряя или приобретая электроны, нейтральный в электрическом отношении атом становится заряженным. Такой атом называется ионом.

Процесс отрыва электронов от атома или присоединения к атому лишнего электро-

на, в результате которого образуется положи­тельный или отрицательный ион, носит назва

ние ионизации атома.

Ионы, имеющие разноименные заряды, притягиваясь друг к другу, образуют моле-

кулы.

Описанная выше классическая теория строения атомов не может дать ответы на ряд вопросов, связанных с поведением микрочастиц.

Действительно, согласно классической электродинамике, электрон, как каждая эле-

ктрически заряженная частица, при вращении вокруг ядра должен непременно излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию.

Непрерывное уменьшение энергии должно вести к постепенному приближению орбиты к ядру, так как круговая скорость падает и для сохранения равенства центробеж-

ной и центростремитель­ной сил необходимо все большее сжатие орбиты.

В конечном итоге электрон должен упасть на ядро, а излучение прекратиться. Одна

ко этого не происходит.

Кроме того, непрерывное изменение частоты вращения электрона на орбите, каза-

лось бы, должно приводить к не­прерывному изменению частоты излучения. Но известно, что атомные оптические спектры имеют линейчатую, прерывистую структуру с характер-

ным чередованием линий, которым соответствуют определен­ные (дискретные) значения частот.

Ответы на эти и многие другие вопросы были получены после создания квантовой теории строения вещества, которая дополнила классическую теорию. Создал квантовую теорию Макс Карл Эрнст Людвиг Планк – немецкий физик-теоретик ( 1858-1947 ).

В соответствии с этой теорией, электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, при-

чём рядом расположенные орбиты образуют электронные слои.

Максимально возможное число электронов в слое определяется выражением

, (3.18 )

где номер орбиты.

Это подтверждает рис. 3.12, б, в соответствии с которым в первой слое ( N = 1 ) на-

ходятся 2 электрона ( = 2*1 = 2 ), во втором – 8 электронов ( = 2*2 = 8), и т.д.

В соответствии с гипотезой М. Планка ( 1900 г. ), при переходе электрона с одной орбиты на другую, например, под действием энергии кванта света, изменение его энергии может происходить только скачкообразно.

Каждой орбите соответствует строго определённая энергия электрона, или, иначе, разрешённый энергетический уровень. Уровни энергии, которые не могут иметь электро-

ны при переходе с одной орбиты на другую, называются запрещёнными.

Чем дальше электрон удалён от ядра, тем большую энергию он имеет.

Электроны всегда стремятся занять уровни наименьшей энергии, т.е. «прижаться» к ядру. Поэтому все внутренние электронные орбиты ( слои ) оказываются полностью за-

полненными, частично заполненной может быть только внешняя орбита.

Электроны, вращающиеся на рядом расположенных орбитах, имеют близкие значе

ния энергии или, иначе, близкие значения энергетических уровней.

Такие рядом расположенные энергетические уровни образуют разрешенные энерге

тические зоны: заполненную, валентную, зону проводимости и свободную ( рис. 3.13 )

Рис. 3.13. Энергетические зоны твёрдого тела

Между разрешенными энергетическими зонами располагаются запрещенные, со

значением энергии, которую не может иметь электрон. Иначе говоря, в запрещённых зо-

нах электроны отсутствуют.

Заполненной зоне соответствуют уровни энергии, занятые электронами при темпера

туре абсолютного нуля ( 0ºК = - 273ºС ).

Верхнюю часть заполненной зоны составляет валентная зона, в которой находятся

энергетические уровни валентных электронов, расположенных на самой последней орбите атома.

Выше заполненной зоны расположена свободная зона, причём между ними находит

ся запрещённая зона.

Нижнюю часть свободной зоны составляет зона проводимости, в которой находят

ся энергетические уровни электронов-беглецов, покинувших валентную зону под действи-

ем тепла, света, радиоактивного излучения и т.п.

Такая энергетическая структура твердых тел позволяет объяснить физическую сущность разделения их на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Рис. 3.14. Энергетические диаграммы различных веществ:

а – проводники; б – диэлектрики; в – полупроводники;

( 1 - валентная зона; 2 – запрещённая зона; 3 – зона проводимости )

На рис. 3.14 показаны типичные диаграммы энерге­тических зон для проводника, диэлектрика и полупроводника.

У про­водников зона проводимости и зона валентных электронов перекры­вают друг друга, т. е. запрещенная зона отсутствует и валентные элек­троны легко переходят в зону проводимости.

У диэлектриков ширина запрещенной зоны велика, и, следовательно, для перехода валентных электронов в зону проводимости им нужно сообщить значительную энергию (не менее 3 эВ – электрон-вольт ).

Для полупроводников запрещенная зона от­носительно невелика (примерно 0,5 - 3 эВ), и под действием внешних факторов (тепло, свет, электрическое поле и т. п.) электро-

ны за. счет изменения запаса энергии могут перейти из валентной зоны в зону проводимо-

сти.

Электропроводность полупроводников неустойчива и сильно зависит от внешних факторов.

Например, при нагреве полупроводников увеличивается число электронов, перехо-

дящих из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому ток через полупроводник увели-

чивается, что может привести к нарушению нормальной работы электронного устройства.

Для компенсации действия тепла на электронные устройства применяют схемы тем

пературной стабилизации полупроводниковых приборов.

Выше относительно подробно изложена зонная теория строения вещества, знание которой понадобится на занятиях по дисциплине «Электроника», тема «Полупроводнико-

вые приборы».

Теперь несколько слов вдогонку.

Заслуги Резерфорда перед человечеством трудно переоценить. Вот ещё несколько фактов его научной деятельности.

В 1919 г. Резерфорд осу­ществил первую искусственную ядерную реакцию, превра

тив азот в кислород, заложив тем самым основы современной физики ядра.

Тогда же открыл протон.

В 1920 г. предсказал су­ществование нейтрона и дейтрона.

В 1933 г. совместно с М. Олифантом экспериментально доказал справедливость за

кона взаимосвязи массы и энергии в ядерных реакциях.

В 1934 г. осуществил реакцию синтеза дейтронов с образованием трития ( тритий – тяжёлый изотоп водорода Н, служащий ядерным топливом для реакторов XXI столетия, работающих на принципе синтеза лёгких ядер водорода ).

Создал большую школу выдающихся физиков, среди которых были и советские –

П. Л. Ка­пица, Ю. Б. Харитои, А. И. Лейпунский, К. Д. Синельников и др.

Член всех ака­демий наук мира, в том числе иностран­ный член АН СССР (1925).