Атомистическая концепция строения материи

Атомистическая гипотеза строения материи (от греч. atom — неделимый), выдвинутая в античности Левкиппом, Демокритом, Эпикуром, возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном. Корпускулы как мельчайшие частицы вещества лежат в основе механической картины мира Ньютона. Однако на рубеже XIX—XX вв. в физике происходит революция, связанная с исследованием явлений, заставивших обратиться к внутренней структуре атома, прежде считавшегося неделимым. Английский физик Дж. Бернал (1901—1971) определил этот этап развития физики как «героический».

Факты из истории науки

В 1895 г. В. Рентген (1845—1923) открыл электромагнитные Х-излучения, проникающие через некоторые непрозрачные для видимого света материалы. Эти лучи позднее были названы рентгеновскими.

В 1896 г. французский физик А. Беккерель (1852—1908) открыл явление естественной радиоактивности, которое свидетельствовало о наличии внутри атома колоссальных источников энергии и о возможности превращения одного химического элемента в другой.

Через короткое время стало ясно, что радиоактивное излучение содержит три компонента, которые получили название а-, ри у-лучей. Альфа-лучи — поток ядер гелия, отрицательно заряженные бета-лучи — поток электронов, положительно заряженные — поток позитронов, а гамма-излучение — поток фотонов высокой энергии, граничащих с рентгеновскими лучами.

Изучение радиоактивности продолжили французские физики, супруги П. Кюри (1859—1906) и М. Склодовская-Кюри (1867—1934), открывшие радиоактивные элементы — полоний и радий.

Возник вопрос об определении источника энергии, которую несут открытые физиками лучи. Некоторые физики стали считать, что развитие физики приводит к отказу от признания объективности материи и справедливости важнейших физических законов. Ситуацию «брожения умов», распространения идей релятивизма и агностицизма на рубеже XIX—XX вв. выдающийся физик А. Пуанкаре назвал «кризисом физики»¹.

В 1897 г. английский физик Дж. Томсон (1856—1940) открыл катодные лучи и установил, что масса этих частиц составляет 1/1000 от массы водорода, а их заряд равен заряду атома водорода в электролизе. Он назвал эти частицы электронами. Уяснив, что электрон — составная часть атома, Дж. Томсон к 1903 г. разработал первую модель атома. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом электрически нейтрален, постольку было сделано предположение о наличии положительно заряженной частицы.

Томсон предложил модель, согласно которой в облаке положительного заряда распределены отрицательно заряженные электроны, суммарный электрический заряд которых равен заряду положительно заряженного облака. Электроны распределены внутри положительно заряженного облака подобно изюминкам в тесте пудинга, поэтому эту модель зачастую именуют «модель пудинга», а в русскоязычной литературе — «модель булки с изюмом» (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Модель атома Дж. Томсона^2.

Факт из истории науки

В 1904 г. японский физик Нагаоке выдвинул предположение, что строение атома напоминает Солнечную систему: вокруг положительного ядра вращается кольцо, состоящее из большого числа электронов. Однако в тот период такая модель не привлекла внимания физиков.

В 1908 г. Э. Марсден и X. Гейгер, сотрудники английского физика Э. Резерфорда (1871—1937), провели опыты, но прохождению альфа-частиц (ядер гелия) через золотую фольгу. Внутрь свинцового цилиндра с узким отверстием был заложен радий. При помощи диафрагмы создавался узкий^[1][2]

пучок альфа-частиц. За тончайшей пластиной из фольги в качестве детектора располагался экран из сульфида цинка, способного светиться при воздействии альфа-частиц. В ту эпоху наблюдать флуоресцентное свечение можно было только под микроскопом, при прямом наблюдении и последовательном подсчете вспышек света. До начала эксперимента глаза должны были привыкнуть к темноте.

Пока в приборе не было препятствия, все частицы попадали в одну точку. Когда же на их пути возникала очень тонкая пластинка из золота, стали наблюдаться непонятные явления. Было обнаружено, что одни альфачастицы проходят через фольгу, не меняя направления, другие — слегка отклоняются в сторону, а третьи почему-то отлетают обратно к источнику, словно наталкиваются на неожиданный встречный удар (рис. 7.5).

Рис. 75. Схема опытов Резерфорда (а), модель атома Резерфорда (б)¹

Резерфорда поразили результаты опыта: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд вернулся бы и нанес вам удар»^[3][4]. Альфачастица могла отлететь строго назад, только столкнувшись с мощным положительным зарядом, сконцентрированном в малом объеме. Э. Резерфорд понял, что эти частицы ударяются о препятствие, которое представляет собой положительно заряженное ядро атома. Его размер (10~¹³ см) очень мал по сравнению с размерами атома (10^-8 см), но в нем почти полностью сосредоточена масса атома. Модель атома Э. Резерфорда (1911) была названа «планетарная модель атома».

Обнаружилось противоречие: двигаясь по круговой орбите, электрон должен излучать энергию (как виток катушки с током) и падать на ядро. Но постепенно приближаясь к ядру, электрон все интенсивнее излучает свет, меняя длину волны, поэтому и спектр его излучения был непрерывным (непрерывной разноцветной полосой), а его частота должна возрастать с уменьшением радиуса орбиты электрона. Однако спектр излучения атома в экспериментах представляет собой дискретные линии (которые характеризуют излучение строго определенной частоты) — именно по спектру излучения можно отличить атомы одного химического элемента от другого.

Для объяснения указанных фактов пригодилась теория М. Планка, опираясь на которую, Н. Бор в 1913 г. разработал квантовую модель атома. В ее основу положено два постулата (постулаты Бора).

Первый постулат Бора. В любом атоме существуют несколько разрешенных стационарных орбит электронов, двигаясь по которым, электрон не излучает энергии. Это такие орбиты, в длину которых укладывается целое число волн де Бройля и которые позволяют (как видно на рис. 7.6) формировать стоячие волны.

Рис. 7.6. Модель атома Бора.

Второй постулат Бора. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом излучает или поглощает порцию энергии, равную одному фотону: Е_п — Е_т = hy, где Е_п, Е_т — значения энергии соответствующих стационарных орбит; hy — энергия фотона; h — постоянная Планка; у — частота излучения.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов', находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Постулаты Бора объясняют также и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона с одной орбиты на другую.

Значение минимальной порции излучения АЕ как раз и определяет расстояние между двумя ближайшими разрешенными орбитами электрона, а энергия излученного света равна разности энергий двух орбит, между которыми перескочил электрон.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона; оно хорошо согласуется с экспериментальными данными. Однако распространение теории на атомы с большим, чем у водорода, числом электронов столкнулось с непреодолимыми трудностями. Теория Н. Бора — последняя попытка описания структуры атома на основе классической физики, дополненной некоторыми новыми предположениями.

• [1] См.: Пуанкаре А. О науке. М.: Наука, 1990.
• [2] Наука. Величайшие теории. Вып. 22. Масса атомов. Дальтон. Атомная теория. М.: ДеАгостини, 2015. С. 131.
• [3] Наука. Величайшие теории. Вып. 24. В делении сила. Ферми. Ядерная энергия: пер. с итал. С. 28.
• [4] Цит. по: Детская энциклопедия. 3-е изд. Т. 3. Вещество и энергия. М.: Педагогика, 1973. С. 282.