ОСНОВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРОЕНИИ АТОМА

Модели атома

Слово «атом» (на греческом — аторо?) означает «неделимый». Атомами древнегреческие мыслители называли мельчайшие частицы, из которых, согласно их представлениям, состоит Вселенная, весь окружающий нас мир. Демокрит считал, что начало Вселенной — атомы и пустота. Атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся они во Вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Последние суть соединения некоторых атомов. Однако представления об атомах и пустоте отвергал великий мыслитель древности Аристотель, который развивал идею о бесконечной делимости вещества и доказывал невозможность существования пустоты. Под сильным влиянием учения Аристотеля идеи атомизма были отброшены и забыты на многие века. Более того, учение об атомах жестоко преследовалось католической церковью. Возрождение идей атомизма связывают с именем французского философа Гассенди. Затем атомная гипотеза развивалась в трудах Ньютона, Бойля, Ломоносова и многих других. Но все же идея о существовании атомов оставалась умозрительной вплоть до конца XVIII в., когда началось количественное изучение химических превращений. На основе гипотезы об атомах английский химик Дальтон сформулировал понятие о химическом элементе и открыл закон простых кратных отношений (1803), позволивший разработать метод определения атомных весов (теперь — атомных масс) элементов. Австрийский физик Лошмидт в 1865 г. определил число молекул в I см3 идеального газа при нормальных условиях (число Лошмидта 2,6867 1019см_3). Было показано также, что размер атома ~ КГ8 см и что масса атома водорода равна примерно КГ24 г. Но окончательно атомистические представления утвердились лишь в конце XIX в. благодаря развитию кинетической теории газов (Максвелл, Больцман,

Клаузиус, Бернулли, Джоуль и др.). Эта теория была непосредственно подтверждена в опытах французского физика Перрена по броуновскому движению (1908-1913). Наряду с этим из законов электролиза Фарадея (1833-1834) следовало, что существует наименьшая порция электрического заряда, своего рода «атом электричества». Действительно, Фарадей показал, что один грамм-атом одновалентных ионов любой природы переносит с собой через электролит один й тот же электрический заряд, определяемый числом Фарадея F= 9,6485-104 Кл/моль. Во второй половине XIX в. было определено число Лвогадро — число атомов (молекул) в одном моле вещества — УУА = 6,022-1023 моль-1. Таким образом, на долю одного атома (иона в электролите) приходится заряд

Этот элементарный электрический заряд ирландский физик Стони предложил называть электроном (1891).

Исследования электрических разрядов в газах привели к открытию катодных лучей (Плюккер, 1859). Английский физик Дж.Дж. Томсон доказал (1897), что катодные лучи представляют собой пучок отрицательно заряженных частиц, масса которых почти в 1840 раз меньше массы иона водорода. Эти частицы, несущие элементарный электрический заряд, были названы электронами. Первые наиболее точные измерения заряда электрона выполнил американский физик Милликен (1911).

Огромную роль в развитии представлений о строении атома сыграли спектральные исследования. Они были начаты в 1666 г. Ньютоном, открывшим явление разложения солнечного света на спектральные компоненты. Впоследствии Юнг (1803) на основе волновых представлений о свете показал, что каждый цвет характеризуется своей длиной волны, и измерил длины волн. Было введено важное понятие спектроскопического волнового числа (Стони, 1871). Швейцарский школьный учитель Бальмер в 1885 г. обнаружил закономерность в спектральных линиях атома водорода, измеренных ранее Ангстремом (1868). Шведский ученый Ридберг в 1890 г. предложил эмпирическую формулу, которая легла в основу комбинационного принципа Ритца (1908). Немецкие физики Кирхгоф и Бунзен в 1859 г. открыли спектральный анализ, который позволил определять состав вещества по спектрам излучения атомов.

Таким образом, данные измерений спектров излучения атомов, открытие электрона, явлений радиоактивности и радиоактивного превращения элементов, процессы в газовых разрядах, а также многие другие факты заставили физиков в начале XX в. отказаться от представлений об атоме, как о бесструктурной неделимой частице вещества. Стало ясно, что в его состав должны входить элементарные заряженные частицы — электроны, а также положительные заряды, так как атом в целом является электрически нейтральным.

Оценивая значение гипотезы об атомах, выдающийся американский физик Ричард Фейнман писал: «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания вдруг оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то, какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию?Я считаю, что этоатомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом — это ничего не меняет): все тела состоят из атомовмаленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения» (Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Т. 1. М.: Мир, 1976.— С. 23).

Первая модель атома принадлежит Перрену (1901). Он считал, что в центре атома находится положительно заряженная частица, которая окружена некоторым числом электронов, компенсирующих положительный заряд. Предполагалось, что эта система зарядов под действием внутренних электромагнитных сил является динамически стабильной, при этом периоды обращения системы связывались с соответствующими частотами (длинами волн) спектра излучающего атома. Аналогичные соображения высказывал японский физик Нагаока (1904), предложивший «сатурнианскую» модель атома. Он считал, что центральная положительно заряженная частица окружена электронами, находящимися на равных расстояниях друг от друга и вращающимися с одинаковой угловой скоростью. При этом возникновение линий излучения атома он связывал с малыми поперечными колебаниями электронов. Однако все эти соображения не были подкреплены экспериментом, носили умозрительный характер и не привели к положительным результатам. В 1903 г. Дж.Дж. Томсон предложил «капельную» модель атома, или модель «пудинга», которая в свое время широко использовалась. Атом рассматривали как «сферу однородной положительной электризации», внутри которой вкраплено (как изюминки в пудинге) определенное число электронов, нейтрализующих положительный заряд. Испускание света атомом считали результатом квазиупругих колебаний электронов около их положений равновесия. Однако модель Томсона также оказалась неудовлетворительной. Это связано, в первую очередь, с тем, что электростатическая система зарядов не может быть устойчивой (теорема Ирншоу). Первые опыты по изучению строения атома проводил немецкий физик Ленард в 1903 г. с помощью катодных лучей — пучка электронов. Если бы атомы представляли собой массивные непроницаемые шарики, то в результате столкновений с ними электроны очень скоро бы остановились. Однако опыты Ленарда показали, что быстрые электроны почти не тормозятся атомами. Отсюда можно было сделать вывод, что внутри атома имеется «пустое» пространство. Предложенная Ленардом «силовая» теория атома оказалась также неудовлетворительной. Лишь английскому физику Эрнесту Резерфорду удалось сформулировать и обосновать экспериментально модель атома, которую называют ядерной, или планетарной (1911). Однако эта модель находилась в противоречии с законами классической физики. Выход нашел датский физик Нильс Бор, который ввел постоянную Планка (1900) для описания свойств атомов и создал первую квантовую модель атома (1913). Дальнейшие открытия и гениальные догадки великих физиков привели к созданию современной картины строения атома, основанной на понятиях квантовой механики[1].

  • [1] Подробнее об эволюции представлений о строении атома см.: Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики.— М.: Наука, 1985; Милантьев В. П. История создания квантовой механики и развития представлений об атоме.— М.: Книжный дом«Либроком», 2009.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >