Каждое поколение должно ответить на вопрос, как обеспечить себе стабильное и экономически оправданное снабжение энергией как основу устойчивого развития цивилизации.
На сегодня основные проблемы энергетики связаны с возрастающим ростом народонаселения Земли, дефицитом энергии и ограниченностью топливных ресурсов, увеличивающимся загрязнением окружающей среды.
Современное энергоснабжение более чем на 80 % базируется на невозобновляемых источниках энергии.
Сейчас на планете живет приблизительно 6 миллиардов 558 миллионов людей. Население мира каждый год возрастает на 80 миллионов человек. По прогнозам специалистов, если такая тенденция сохранится, то количество жителей Земли в 2010 г. достигнет 9 миллиардов 200 миллионов человек. Причем основной рост населения будет в наименее развитых регионах.
При среднедушевом потреблении в 2001 г. ~ 1600 кг нефтяного эквивалента, в развитых странах оно составляет 5400 кг, в то время как в странах с низкими доходами (в них проживает 40 % населения Земли) этот показатель равен 500 кг.
Таким образом, энергопотребление в странах с низким уровнем развития будет расти опережающими темпами.
Приведем результаты анализа запасов ископаемых видов топлива.
В таблице 1 приводятся данные о мировых запасах нефти.
Эксперимент по рассеиванию альфа-частиц
Открытие электрона, рентгеновского излучения и явления радиоактивности свидетельствовало о том, что представление об атоме как неделимой частице являлось неверным. К концу XIX века стало понятно, что атом должен иметь сложное строение. Большой вклад в изучение строения атома внёс физик-экспериментатор Эрнест Резерфорд.
В 1904 году Резерфорд начал свои эксперименты по бомбардировке альфа-частицами тонких металлических пластин (золотых и платиновых) для изучения структуры атомов, из которых состоят пластины.
Альфа-частица — ионизированный атом гелия.
Альфа-частица — это массивная (масса альфа-частицы в несколько тысяч раз больше, чем масса электрона) положительно заряженная частица. Заряд альфа-частицы в два раза больше элементарного заряда.
Схематично установка Резерфорда изображена на рисунке ниже.
В толстостенном свинцовом футляре ( 1 ) находится радиоактивное вещество ( 2 ), излучающее поток альфа-частиц. Через небольшое отверстие ( 3 ) поток альфа-частиц направляется на тонкую золотую фольгу ( 4 ) (толщиной порядка 0,1 мк). За фольгой располагается экран, покрытый сернистым цинком ( 5 ). При столкновении альфа-частицы на экране наблюдается вспышка.
Согласно модели строения атома по Томпсону, альфа-частицы должны столкнуться с большими плотными атомами и разлететься под разными углами. Однако опыт показал, что большинство альфа-частиц пролетают беспрепятственно через пластинку металла ( 6 ). И только небольшая часть всех альфа-частиц изменяет направление движения, отклоняясь на небольшие углы ( 7 ). А некоторые частицы и вовсе отлетают от фольги в обратном направлении ( 8 ).
Результаты опыта были удивительными. Только в 1911 году Резерфорд смог объяснить результаты опытов, предложив новую модель строения атома.
Ядерная модель строения атома
Так как большинство альфа-частиц свободно проходило через фольгу, это означало, что практически всё через которое проходит поток альфа-частиц — это пустота. Где же тогда «спрятана» вся масса атома? Резерфорд предположил, что практически вся масса атома сосредоточена в очень маленьком объёме — ядре атома. Было очевидно, что ядро должно быть положительно заряжено. Когда альфа-частица пролетает достаточно близко от такого ядра, то из-за Кулоновских сил отталкивания происходит отклонение от первоначального направления движения частицы. А при столкновении с ядром частица отскакивает в обратном направлении. По расчётам Резерфорда, ядро атома должно было иметь размер примерно в 3000 раз меньший, чем атом. Остальное атома должны занимать электроны.
Планетарная модель строения атома
Итак, стало понятно, что «пудинговая модель строения атома» неверна. На основе экспериментальных данных была предложена новая модель строения атома, которая получила название «планетарная модель строения атома».
Обрати внимание!
Согласно модели Резерфорда, атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, размер которого в тысячи раз меньше самого атома, и электронов, которые вращаются вокруг ядра по круговым орбитам.
Модель очень напоминала модель строения Солнечной системы, где вокруг массивного Солнца по круговым орбитам вращаются планеты.
Таким образом, на основе планетарной модели можно было объяснить результаты опытов по рассеянию альфа — частиц. Однако объяснить стабильность атомов не удавалось. Движение электрона в атоме происходит с ускорением. В соответствии с классической электродинамикой это движение должно было сопровождаться излучением электромагнитных волн, в результате чего энергия электрона в атоме непрерывно уменьшалась бы. Электрон стал бы приближаться к ядру по спирали и должен был бы очень скоро упасть на него. Однако атомы стабильны.
