Насколько сегодня известно, мысль о том, что материя может состоять из отдельных частиц, впервые была высказана Левкиппом из Милета в V в. до н. э. Эту идею развил его ученик Демокрит, который и ввел слово «атом» (от греческого «атомос», что значит «неделимый»). В начале XIX в. Джон Дальтон (1766-1844) возродил это слово, подведя научную основу под умозрительные идеи древних греков. Согласно Дальтону, атом — это крошечная неделимая частица материи, принимающая участие в химических реакциях.
Город Милет связан с именами многих знаменитых
философов древности. Здесь в 630 г. до н. э. родился
Фалес, выдающийся представитель ионийской школы
в греческой философии. Там жил Анаксимандр и умер
Левкипп (около 400 г. до н. э.), который впервые сфор-
мулировал идею атома, сыгравшую основополагающую
роль в развитии европейской научной мысли.
Современные представления о микромире имеют двойственную
корпускулярно-волновую природу. Волны мы можем наблюдать
на поверхности моря или на поверхности пруда. Как известно,
звук и электромагнитное излучение, например видимый свет или
рентгеновские лучи, представляют собой распространяющиеся
волны. Волновая теория субатомных частиц – электронов, про-
тонов и нейтронов – позволила раскрыть природу атомов и ядер.
Атом и электричество
Простые представления об атоме, принадлежащие Дальтону, были поколеблены в 1897 г., когда Дж.Дж. Томсон (1856-1940) установил, что атомы могут испускать еще меньшие отрицательно заряженные частицы (позднее названные электронами). Стало очевидным, что атом обладает внутренней структурой. Это открытие указывало, что атом, по-видимому, должен содержать и положительные заряды. Томсон предположил, что электроны рассеяны в положительно заряженном атоме, подобно изюминкам в булке. Эта модель не позволяла объяснить некоторые свойства атомов, однако более совершенную модель удалось создать лишь после открытия радиоактивного излучения. Явление радиоактивности было открыто Беккерелем, который обнаружил, что атомы урана самопроизвольно испускают излучение. Известны три формы этого излучения: бета-частицы (отрицательно заряженпые электроны), альфа-частицы (положительно заряженные ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов) и гамма-излучение (коротковолновое электромагнитное излучение, не несущее заряда).
Спектр света, испускаемого раскаленными газами или
парами отдельных химических элементов, состоит из
отдельных (дискретных) линий, обусловленных излу-
чением света отдельными атомами. Модель Бора позво-
лила объяснить связь между длинами волн линий в спектре
атома водорода и изменениями уровней энергии электрона
в атоме.
Модель атома Резерфорда
В 1911г. Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил совершенно новую модель атома, основанную на результатах его собственных экспериментов и экспериментов Ханса Гейгера (1882-1945), в которых измерялось рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу. Согласно модели Резерфорда, положительный заряд и основная масса атома сосредоточены в центральном ядре, вокруг которого движутся электроны. Сегодня мы знаем, что атом представляет собой почти пустое пространство с крошечным ядром, размеры которого в десятки тысяч раз меньше размеров атома в целом. Сами атомы тоже предельно малы: 10 млн. атомов, выстроенные в ряд, составят всего 1 мм.
Позже Резерфорд установил, что положительный заряд ядра несут частицы в 1836 раз более тяжелые, чем электрон. Он назвал их протонами. Заряд протона равен по величине, но противоположен по знаку заряду электрона. Простейший атом — атом водорода — состоит из одного протона (ядра) и одного электрона, движущегося вокруг него.
Более тяжелые ядра содержат большее число протонов (это число называют атомным номером), причем оно всегда равно числу окружающих ядро электронов. Позднее было установлено, что все ядра атомов, за исключением ядра водорода, содержат также частицы и другого типа — незаряженные частицы (названные поэтому нейтронами) с массой, почти равной массе протона.
Квантовая теории и спектроскопия
Датский физик Нильс Бор (1885-1962), сделавший следующий важный шаг на пути создания модели атома, опирался при этом на две другие области исследований. Первая из них — квантовая теория, вторая — спектроскопия. Впервые идея квантования была высказана Максом Планком (1858-1947) в 1900 г. для объяснения механизма излучения тепла (и света) нагретым телом. Планк показал, что энергия может излучаться и поглощаться только определенными порциями, или квантами.
Основы спектроскопии были заложены еще Исааком Ньютоном (1642-1727): он пропустил луч солнечного света через стеклянную призму, разложив его на совокупность цветов видимого спектра. В 1814 г. Йозеф Фраунгофер (1787-1826) открыл, что спектр солнечного света содержит несколько темных линий, соответствующих, как было установлено позже, линиям в спектре испускания водорода, в котором произошел электрический разряд.
Бор постулировал, что движущийся электрон в атоме водорода может существовать только на фиксированных орбитах, а спектральные линии водорода соответствуют поглощению (темные линии) или излучению (светлые линии) кванта энергии; эти процессы происходят, когда электрон «перепрыгивает» с одной фиксированной орбиты на другую. Модель Бора, позднее усовершенствованная Арнольдом Зоммерфельдом (1868-1951), позволила добиться успехов в объяснении спектра водорода.
Согласно современной квантовой теории, фиксированные орбиты Бора не следует представлять слишком буквально — в действительности электрон в атоме с некоторой вероятностью может быть обнаружен в любом месте, а не только вблизи орбиты. Это — следствие квантовой механики, которая была в основном сформулирована Вернером Гейзенбергом (1901-1976) и Эрвином Шредингером (1887-1961). В ее основе лежит принцип неопределенности Гейзенберга. В результате орбиты Бора оказались не точными траекториями электрона, а местами его наиболее вероятного обнаружения в атоме. Согласно идее корпускулярно-волнового дуализма, впервые высказанной Луи де Бройлем (род. 1892 г.), субатомные частицы можно описывать так же, как и свет, в том смысле, что в одних случаях для этого целесообразно пользоваться понятием «частица», а в других — «волна». Так, пучок электронов ведет себя как совокупность частиц в катодных лучах, но как совокупность волн в электронном микроскопе. Однако с точки зрения химии представление об атоме как о мельчайшей частичке материи, принимающей участие в химических реакциях, по-прежнему остается наиболее удобным.
Схематическое изображение модели атома водорода,
предложенное Нильсом Бором, по-прежнему использу-
ется в современной физике, хотя исходные идеи Бора
претерпели существенное видоизменение в квантовой
механике.
Возможные орбиты, по которым электрон в атоме движется
вокруг ядра, можно изобразить (А) в виде окружностей, в
каждой из которых точно укладывается целое число длин
световых волн, равное главному квантовому числу n. Дву-
мерный аналог атома может быть описан двумя квантовыми
числами n и l (Б), а реальный атом (В) характеризуют три
квантовых числа (n, l и m).
Трубки Гайслера, действие которых обусловлено
поведением пучков электронов в почти полном
вакууме, существовали задолго до того, как была
раскрыта природа катодных лучей. Исследования
этих лучей – прежде всего английским физиком
Дж. Дж. Томсоном – сыграли решающую роль в
понимании структуры атома и позволили найти
отношение заряда электрона к его массе.
Новые идеи в области атомной физики обсуждались учеными
на международных конференциях. На фотографии запечатлен
Сольвеевский конгресс 1911 г. проходивший в Брюсселе, в
котором участвовали Бор, Резерфорд, Планк, М. Склодовс-
кая-Кюри.
В 1900 г. Макс Планк высказал предположение,
что свет может испускаться и поглощаться толь-
ко порциями, или квантами, энергия которых про-
порциональна частоте света. Эта гипотеза поло-
жила начало квантовой теории.
Падая на стопку параллельных пластин, световые волны частично
проходят внутрь (А и Б). Пучок электронов (В) из электронной пушки (1)
отражается от кристалла никеля (2) с некоторым разбросом по углам (Г)
и попадает в детектор (3).
Эдвин Шредингер сыграл выдающуюся
роль в разработке математического аппа-
рата современной теории атома. Он создал
волновую механику, развив идею де Бройля
о корпускулярно-волновом дуализме.