Строение атома и открытие субъядерных частиц

От неделимого атома к электрону

Химические свойства указывали на дискретное строение вещества, но в XIX веке атом считали неделимым. Исследования разрядов в разреженном газе показали катодные лучи, отклоняемые электрическим и магнитным полями. Дж. Томсон определил отношение заряда к массе их частиц и установил существование электрона.

Электрон — стабильная элементарная частица с зарядом $-e$ и массой $m_e\approx 9,11\cdot 10^{-31}\text{кг}$. Электроны одинаковы во всех веществах, поэтому электризация означает их перенос или перераспределение, как описано в теме об электрическом заряде.

Первая модель Томсона представляла положительный заряд распределённым по атому, а электроны — вкраплёнными внутрь. Она объясняла нейтральность, но не выдержала опытов по рассеянию быстрых частиц.

Большинство альфа-частиц пересекает атом почти прямо; редкие траектории рядом с маленьким положительным ядром отклоняются сильно, одна назад.

Опыт Резерфорда

Альфа-частицы направляли на тонкую металлическую фольгу. Большинство проходило почти прямо, но малая доля отклонялась на большие углы и даже возвращалась. Значит, атом в основном пуст, а положительный заряд и почти вся масса сосредоточены в очень малой области.

Атомное ядро — положительно заряженная центральная область атома размером порядка $10^{-15}\text{м}$, содержащая почти всю его массу. Размер всего атома порядка $10^{-10}\text{м}$, то есть примерно в сто тысяч раз больше. Кулоновское отталкивание от ядра объясняет редкие сильные отклонения положительных альфа-частиц.

Протоны, нейтроны и изотопы

Ядро состоит из протонов с зарядом $+e$ и нейтронов без электрического заряда. Массовое число $A$ равно общему числу нуклонов, зарядовое число $Z$ — числу протонов, число нейтронов $N=A-Z$. Обозначение ядра:

Элемент определяется $Z$. Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов и потому разные массы и ядерную устойчивость. Нейтральный атом содержит $Z$ электронов; ион возникает при потере или присоединении электронов, ядро при обычной ионизации не меняется.

Масштабы и методы

Строение микромира восстанавливают по наблюдаемым следствиям: отклонениям частиц, спектрам, энергии и импульсу продуктов. Это похоже на определение невидимого препятствия по траекториям шариков, но требует квантового описания и статистики большого числа событий.

Энергии атомных процессов обычно измеряют в электронвольтах: $1\text{эВ}=1,60\cdot 10^{-19}\text{Дж}$. Ядерные энергии достигают миллионов электронвольт. Огромная разница масштабов объясняет, почему химические реакции меняют электронные оболочки, но почти не затрагивают ядра.

Как регистрируют частицы

Частицу обнаруживают по её взаимодействию с веществом прибора. В камере Вильсона ионы вдоль пути заряженной частицы становятся центрами конденсации капелек, поэтому появляется видимый трек. В пузырьковой камере вдоль следа возникают пузырьки, а в газовом счётчике ионизация создаёт электрический импульс. В сцинтилляторе часть переданной энергии превращается в короткую вспышку света.

В магнитном поле знак искривления трека при известных направлении движения и поле указывает знак заряда. При прочих равных большой импульс означает большой радиус кривизны; по мере торможения радиус может уменьшаться. Нейтральная частица обычно не оставляет прямого ионизационного следа, поэтому её восстанавливают по вторичным заряженным частицам и законам сохранения.