Перші моделі атома

09.10.2015

Перші моделі атома

6.2. Перші моделі атома

До кінця ХІХ ст. в науці панувало переконання, що всі фізичні тіла складаються з дуже маленьких часток — молекул, невидимих оку, але доступних спостереженню в потужний мікроскоп. Однак самі молекули складаються з ще більш дрібних частинок — атомів. Наприклад, молекула води складається з одного атома кисню і двох атомів водню. Атоми, вважалося в науці минулих століть, — це остання межа подільності речовини. Вони являють собою найпростіші, дрібні і неподільні частинки, які лежать в основі будь-якого фізичного тіла. Крім того, якщо вони нероздільні, отже, також постійні і незмінні. Сама речовина може змінюватися або перетворюватися як завгодно завдяки всіляким атомних взаємодій. Самі ж атоми перебувають завжди в одному і тому ж стані. Будучи вічною неподільною світової основою, вони не можуть розпадатися на частини, народжуватися, зникати, переходити в інші форми і т. д. Слово «атом», що перекладається з грецької як «неподільний», було вперше вжито древнім філософом Демокрітом. Його ідеї про атоми як останньому межі речовини з невеликими змінами існували більше двох тисяч років. Вони лягли в основу класичного механіцизму природознавства, були в ньому розвинені і продовжені. Наприкінці ХІХ ст. ці уявлення доживали свої останні дні. Відкриття у фізиці, зроблені на рубежі XIX і XX століть, зруйнували багатовікові уявлення про атомах, зробили справжню революцію в науці.

В самому кінці XIX ст. англійський фізик Джон Томсон відкрив існування в атомі негативно заряджених часток, що одержали назву електронів. Оскільки атом у цілому електрично нейтральний, то було зроблено припущення, що крім електронів в ньому існують також позитивно заряджені частинки. Досліди англійського фізика Ернеста Резерфорда привели його до висновку про те, що в будь-якому атомі існує ядро — позитивно заряджена частинка, розмір якої (10-12 см або одна стомиллиардная частина міліметра) дуже малий в порівнянні з розмірами всього атома (10-8 см або одна десятимільйонна частина міліметра). Ядро менше атома в 10000 разів, але в ньому майже повністю зосереджена вся атомна маса. Крім того, було виявлено, що атоми одних елементів можуть спонтанно перетворюватися в атоми інших в результаті ядерних випромінювань. Це явище, вперше відкритий французьким фізиком Антуаном Анрі Беккерелем, отримало назву радіоактивність (від лат. radiare — випускати промені і activus — діяльний).

Ці відкриття переконливо показали, що атоми — це не прості, неподільні і незмінні частинки речовини, а складні, подільні і здатні до перетворення мікрооб’єкти, які мають певний пристрій. Одним з перших спробував з’ясувати будову атома Томсона. З його точки зору атом являє собою позитивно заряджену масу, в яку вкраплені електрони, подібно до того, як родзинки вкраплен в булку. Причому позитивний заряд атома дорівнює сумі негативних зарядів всіх електронів, в силу чого атом електрично нейтральний. Тут необхідно сказати, що оскільки атом внаслідок своїх малих розмірів (приблизно одна десятимільйонна частина міліметра недоступні ніякому безпосередньому спостереженню (навіть за допомогою складних приладів), то про його пристрої можна говорити тільки умоглядно. Уявна картина або модель атома, що описує його структуру (будову), запропонована Томсоном, стала умовно називатися «булка з родзинками».

Іншу модель атома побудував Резерфорд. Вона одержала назву планетарної. Нам добре відомо, що наша Сонячна система складається з величезної центру — Сонця і обертаються на різних відстанях навколо нього дев’яти планет, однією з яких є наша Земля. Причому розміри і маса кожної планети мізерно малі в порівнянні з розміром і масою Сонця, тобто майже вся речовина Сонячної системи зосереджена в ньому. Між Сонцем і планетами діють сили тяжіння (взаємного тяжіння), добре відомі ньютонівській механіці. Ці сили забезпечують рівномірне й струнке рух планет навколо загального центру. Резерфорд припустив, що будова атома схоже з пристроєм Сонячної системи: у центрі його знаходиться позитивно заряджене ядро, навколо якого по різним кругових орбітах рухаються негативно заряджені електрони. Замість сил тяжіння, що діють в Сонячній системі, в атомі діють електричні сили: позитивний заряд атомного ядра врівноважується сумою зарядів електронів, і тому атом електрично нейтральний. У Резерфорда вийшло, що кожен атом — це цілий складно влаштований світ, тільки дуже малих розмірів. З цього приводу російський поет Валерій Брюсов написав такі вірші:

можливо ці електрони —

Світи, де п’ять материків,

нескінченність, як і тут;

Там скорботу і пристрасть, як тут, і навіть

Там та ж світова пиху.

Модель атома Резерфорда наочно описувала його будова. Однак згодом вона стикнулася з безліччю суперечностей, і стало зрозуміло, що вона не зовсім підходить для пояснення атомного пристрою. Згідно з одним із законів діалектики — переходу кількісних змін в якісні — при значній зміні масштабів (збільшенні або зменшенні) досліджуваних нами об’єктів, принципи і закони, що діють в одних умовах, можуть зовсім не діяти в інших; правила одних областей реальності можуть не відповідати правилам інших. Якщо атом — це настільки мала величина, то чому б не припустити, що для нього існують зовсім інші правила та закони, ніж для нашого видимого макросвіту, що мікросвіт будується абсолютно на інших принципах, і всі наші макропредставления безсилі що-небудь описати або пояснити в микрообластях дійсності.

Резерфордовская модель атома, просто і наочно говорила про його пристрої, була родом з макросвіту, адже вона порівнювала його з Сонячною системою, використовувала поняття ядра, центру, рухомих частинок-електронів, орбіт руху (а це все макропонятия або макропредставления). Мабуть, про атом треба було говорити якось інакше, якимось іншим, специфічним мовою, тому що в його особі ми маємо справу із зовсім іншою реальністю.

Нову модель атома побудував відомий датський фізик Нільс Бор. За його уявленнями електрон — це не стільки точка або твердий кулька, що рухається навколо атомного ядра, скільки якийсь згусток енергії, як би розмазаний навколо ядра, але не рівномірно, а з більшою або меншою щільністю на різних ділянках. Крім того, треба говорити не про орбіті руху електрона, а його стаціонарному (незмінному стані, в якому він може перебувати, не випромінюючи енергії. Якщо ж це положення змінюється, тобто електрон як би переходить з одного стаціонарного стану в інший, то він випромінює або поглинає порцію енергії. Як бачимо, модель, запропонована Бором, була більш складною і менш зрозумілою, ніж резерфордовская, але і вона не змогла з успіхом пояснити атомну будову, тому що багато в чому використовувала макромови і макропонятия. З’ясувалося, що процеси, які відбуваються в атомі, в принципі неможливо представити у вигляді якоїсь механічної моделі за аналогією з подіями в макросвіті. Навіть поняття простору і часу в існуючій в макросвіті формі виявилися невідповідними для опису микрофизических явищ. Відмовившись повністю від зрозумілого природної мови та наочних моделей при вивченні мікросвіту, наука все більше стала користуватися абстрактним мовою математики. Атом фізиків-теоретиків поступово перетворювався в ненаблюдаемый набір рівнянь.

Ми вже говорили про те, що до кінця XIX ст. наука встановила два різних види існування матерії — речовина і поле, які у всьому один від одного відрізняються і являють собою протилежності (речовина володіє корпускулярними властивостями, а поле — хвильовими). На рубежі позаминулого та минулого століть з’ясувалося, що ці два види матерії не виключають один одного. Як те ні дивно, але одні й ті ж об’єкти можуть характеризуватися і властивостями речовини, і властивостями поля одночасно, тобто мати як корпускулярні, так і хвильові якості. Відомий німецький фізик Макс Планк, досліджуючи процеси теплового випромінювання, прийшов до приголомшливого висновку про те, що при випромінюванні енергія віддається або поглинається не безупинно і не в будь-яких кількостях, але невеликими і неподільними порціями, які він назвав квантами (від лат. quantum — скільки). Квант — це порція енергії. Вдумаймося в це словосполучення. Його перша частина — слово «порція» — має на увазі щось визначене, обмежене, речовий, що має певні розміри, тобто частку або корпускул. Друга частина — слово «енергія» — має на увазі щось безперервне, безрозмірне, нематеріальне, тобто поле. Стало бути, квант — це такий об’єкт фізичної реальності, в якому збігаються, або одночасно представлені і речовина, і поле, об’єкт, що відрізняється корпускулярно-хвильовим дуалізмом.

Ейнштейн переніс ідею про квантах на область світла і створив нове вчення про нього. Згадаймо, що Ньютон вважав світло потоком корпускул, Гюйгенс і Юнг розглядали його як хвилі світлоносного ефіру, а Фарадей і Максвелл — як коливання електромагнітного поля. Ейнштейн поєднав всі ці уявлення і створив теорію, за якою світ має корпускулярно-хвильову природу. Він поширюється квантами, тобто енергетичними порціями, які були названі фотонами (від грец. photos — світло). З одного боку, фотон — це саме порція енергії і тому є свого роду часткою або корпускулой, а з іншого боку, фотон — це порція саме енергії, і тому є свого роду хвилею. Світло по Ейнштейну — це потік енергетичних зерен, світлових квантів або своєрідний фотонний дощ. Ейнштейнівське уявлення про світлові квантах допомогло зрозуміти і наочно представити явище фотоефекта, сутність якого полягає у вибиванні електронів з речовини під дією світлових хвиль (кожен електрон виривається одним фотоном). Все це переконливо підтвердило ідею Ейнштейна, що світло поводить себе не тільки як хвиля, але і як потік корпускул. У дослідах по дифракції та інтерференції проявляються його хвильові властивості, а при фотоефекті — корпускулярні. Фотонна теорія Ейнштейна відноситься до найбільш експериментально підтвердженим фізичним теоріям.

Ідея про квантах була перенесена і на уявлення про атом, в результаті чого з’явилася специфічна дисципліна — квантова механіка — наука, що описує процеси, що відбуваються в мікросвіті. Одним з її основних тверджень є думка про те, що мікрооб’єкти (електрони, наприклад) мають, подібно до світла, і корпускулярними і хвильовими властивостями, і тільки при обліку цієї двоїстості можна більш або менш успішно отримати загальну картину мікросвіту. Квантова механіка — порівняно молода наукова дисципліна, її «вік» налічує приблизно сотню років. З’явившись у минулому столітті, вона вже досягла значних результатів, але подальші її успіхи, очевидно, попереду. Сучасна наука чекає від неї відповіді на багато складні питання, пов’язані не тільки з мікросвітом, але також стосуються макро — і мегамиров, адже ці три області існують не ізольовано один від одного, а являють собою єдину фізичну реальність.

Запитання для самоперевірки

Які відкриття, зроблені у фізику наприкінці XIX і початку XX ст. зруйнували уявлення про атоми як неподільних частках речовини?

Що являє собою модель атома, запропонована Томсоном? Як влаштований атом згідно з моделлю Резерфорда? Чому вона називається планетарної?

Як виглядала модель атома, запропонована Нільсом Бором? У чому полягають труднощі вивчення мікросвіту?

Яке відкриття було зроблено Планком? Що таке квант? В чому проявляється його корпускулярно-хвильова природа?

Яку теорію світла, розробив Ейнштейн на основі уявлень про квантах?

Що являє собою корпускулярно-хвильовий дуалізм мікросвіту? Що таке квантова механіка?

Короткий опис статті: будова атома global

Джерело: Перші моделі атома

Також ви можете прочитати