Глава 6. Концепция атомизма. Структурные формы организации материи в микромире

6.1. Концепция атомизма в своем развитии

Атомистика — учение о дискретном строении мате­рии. До конца ХГХ в. считалось, что материя состоит из «неделимых кирпичиков» — атомов, различными комби­нациями которых образованы все видимые тела. Сейчас известно, что атом не является неделимым и имеет сложное строение. Сама же тенденция к поиску «элементарных кирпичиков» мироздания порождена атомистическойконцепцией. Эта концепция дала огромные возможности объяснения свойств сложных тел. Такое объяснение путем редукции, т.е. сведением сложного к простому, не опи­сывает многообразие мира, но оказалось плодотворным. Целимостъ веществ породила идеи дробления целого на части.

В основе взглядов древних индийцев (VI-V вв. до н.э.) лежит учение о пяти элементах (земле, воде, огне, воздухе и эфире), соответствующих в какой-то степени пяти чувст­вам («подобное познает подобное») — зрению, вкусу, обонянию, осязанию, слуху. Каждый может быть в двух видах — вечном (атом неделим, безразмерен и сферичен) и преходящем. Мир единым и развивающимся считал Фалес из Милета, основатель ионийской школы, В качестве праматерии он выбрал воду, его преемник, Анаксимандр, — «айперон», а впоследствии другие мыслители выделяли уже четыре первоэлемента. Эти первоэлементы, оставаясь в количественном отношении постоянными, могут образовы­вать друг с другом различные по форме и составу комби­нации. Анаксагор ввел представление о бесконечной Все­ленной, заполненной бесконечным множеством частиц, или «атомов». Он, кроме того, предполагал, что небесные тела состоят из таких же веществ, что и Земля (за эту «ересь» он едва не поплатился жизнью и был изгнан из Афин по обвинению в безбожии).

Левкипп и его ученик Демокрит считали, что реальны атомы и пустота, причем пустое пространство — это место атомов, которые могли бы находиться здесь в другое время. Четыре стихии — земля, вода, воздух, огонь — первичные группировки бескачественных атомов. Атомизм отвергался такими великими философами, как Платон, Сократ и Аристотель, и он был возрожден через два с половиной века Эпикуром, чье учение изложил еще через 2,5 века в своей философской поэме «О природе вещей» великий римский поэт-мыслитель Тит Лукреций Кар. На протяжении столетий в качестве альтернативы атомизму выдвигались представления об отсутствии пустоты и бесконечной делимости материи. Атомизм долго рассмат­ривался католической церковью как ересь, так как ассо­циировался с эпикурейским атеизмом.

Концепция атомизма вновь возродилось в XVII в. Р.Бойль показал, что свойства тел зависят от того, из каких атомов тела состоят. Формирование представления охимическом элементе явилось первым этапом знания о составе веществ. И.Ньютон, опираясь на эмпирико-матема-тический подход Галилея, разработал строгую теорию движения земных и небесных объектов, в которой природа рассматривалась как сложный механизм. Тела представ-

лялись материальными точками или системой точек которые взаимодействовали попарно. Им соответствовал частицы — атомы или молекулы. Атомы непроницаемы, неделимы, они определены массой и находятся в незам-сящих от их свойств пространстве и времени. Движение-перемещение в пространстве по непрерывным траектория» с течением времени. Все физические процессы могут бьга сведены к механическим перемещениям. Свет, по Ньютону, тоже есть поток корпускул, которые испускают светящиеся тела и которые движутся по законам механики. Так был объяснены законы отражения и преломления света.

В XVIII в. любое природное явление приписывай действию каких-то не познанных пока сил. Блестящи успехи небесной механики способствовали вере в то, что ее уравнения годятся для любого уровня организации материи. Эта идея принадлежит Ньютону, писавшему! предисловии к своим «Началам»: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы, ибо многое заставляет меня предполагать, что все этв явления обуславливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел вследствие причин, покуда неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга». Эту программу начал осуществлять Лаплас вместе со своим помощником Лавуазье, однако этим планам не суждено было осуществиться в полной мере (в 1794 г. по приговору революционного трибунала генеральный откупщик АЛа-вуазье был отправлен на гильотину). Лаплас в своей пяти­томной «Небесной механике» построил грандиозную ми­дель Вселенной, опирающуюся на закон всемирного тяго­тения Ньютона, но в силу того, что гравитационные силы между телами незначительных размеров слишком малы, не позволил стать ей всеобщей моделью Вселенной.

От Ньютона и Лапласа шло рассмотрение механики как универсальной физической теории. В XLX в. ее место заняла уже механистическая картина мира, включающая в себя механику, термодинамику и кинетическую теорию мате­рии, упругую теорию света и электромагнетизм. Молеку-лярно-кинетическая теория сумела объяснить многие явления в области физики и химии, но мало кто из ученья верил в реальность существования атомов и молекул.

В конце XVIII в. не было данных ни о числе атомов в молекулярных соединениях, ни о числе частиц в единице объема, но признавалось, что существуют чистые, простые, неразложимые далее вещества (по определению Лавуазье), названные элементами (в то время их было около 30), Лавуазье и Ж.Пруст установили, что элементы всегда входят в соединения в точно определенных пропорциях. Эту закономерность французский химик КБертолле записал в виде закона кратных отношений, отметив, что относи­тельные весовые содержания элементов не остаются в соединениях неизменными (например, продукты окисления некоторых металлов при разных значениях температуры и давления). Английский химик ДжДальтон привел доказа­тельства в пользу того, что атомы имеют разные веса и,

64

6.2. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА И РОЖДЕНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СЛОЖНОМ СТРОЕНИИ АТОМА

комбинируясь в определенных соотношениях, образуют соединения. Дальтон фактически осуществил новый подход к атомистике: он попытался продвинуться в вопросе об относительных весах атомов, т.е. об их физических свойст­вах, опираясь на данные химических исследований. Дальтон выработал основу для понимания закона кратных отно­шений и из соображений простоты сформулировал пра­вша — «закон постоянства состава» и «закон простых кратных отношений», благодаря которым атом впервые приобрел физико-химические свойства и массу.

Закон объемных отношений — объемы газов, реаги­рующих друг с другом, соотносятся как небольшие целые числа (1:1; 1:2; 1:3...) открыл Гей-Люссак (1808 г.). Дальтон увидел в нем угрозу своей атомистической теории: ведь плотность паров воды оказывалась меньше плотности кислорода. Но ни тот, ни другой не смогли избавиться от противоречий между газовыми законами и атомистической гипотезой. Правильную оценку объемных кратных отно­шений дал Авогадро. В 1811 г. он высказал гипотезу о равенстве числа молекул в одинаковых объемах любых газов при постоянных условиях. Пересмотрев атомную систему Дальтона, он исправил некоторые значения атомных весов. Свойства наблюдаемых тел и законы их поведения стали объяснять с помощью поведения невидимых атомов и молекул.

Эмпирические законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов и другие тепловые и химические законы нашли объяснение в молекулярно-кинетической теории, основанной на идее атомизма. Наблюдаемые свой­ства тел и законы поведения объяснены с помощью неви­димых частиц—атомов и молекул. Атомистическая гипо­теза позволила использовать некоторые идеи «молеку­лярной динамики» Лапласа, она явилась предпосылкой кинетической теории материи и статистической механики. Применение редукции дало много науке.

Диаметр молекул вычислил ИЛошмидт из средних длин свободного пробега и объема одного моля газа в жидком состоянии. Он нашел число молекул в моле —10²³, а для радиусов молекул — Ю^-8 см. Независимо от газов атомистика распространилась на учение об электричестве. Упорядочение химических элементов по их химическим свойствам привело к созданию периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева. Но смысл этой классификации был осознан много позже, уже после смерти автора этой таблицы. Для дискретных зарядов, «атомов

Открытие электрона, изучение его уникальныхсвойств стимулировали интенсивные поиски в исследо­вании и понимании строения атома. Оказалось, что с поведением электронов связаны процессы поглощения и испускания электромагнитной энергии веществом. Были поняты сходства и отличия химических элементов, их химическая активность и инертность. Обрела внутренний смысл Периодическая таблица химических элементов Менделеева, стали понятны природа химической связи в различных телах и механизмы химических реакций, поя­вились совершенно новые приборы, в которых движение электронов играет определяющую роль. Изменились взгля-

электричества», ГЛоренц создал электронную теорию, в которой синтезировал идеи атомистики и теории поля. Нельзя в развитии атомистики не упомянуть имена Пуан­каре, Планка, Эйнштейна, П. иТ.Эренфестов.

Проблема электрического заряда, связанная с дискрет­ностью заряда и непрерывностью поля, и проблемы в теории излучения, известные как «ультрафиолетовая катастрофа» конца ХГХ в., привели к созданию квантово-полевой кар­тины мира и квантовой механики.

Реальность существования атомов и молекул была подтверждена только в 1906 г., когдаЖПеррен исследовал закономерности броуновского движения. Это движение было обнаружено английским ботаником Р.Броуном(1827 г.) и заключалось в том, что взвешенные в жидкости мельчайшие частички (споры) находились в беспрерывном хаотическом движении. Установили, что оно вызвано тепловым движением частичек жидкости, в которой были взвешены более крупные частицы — споры. Число ударов с разных сторон в среднем одинаково, и большая частица не реагирует на эти удары. Но если размеры частицы: порядка lO^-lO^-5 см, то число испытываемых ею ударов не столь велико и появляются отклонения скоростей отдель­ных молекул от средних значений. Эти отклонения, назы­ваемые флуктуациями, приводят к тому, что отдельные удары для частицы указанных размеров не компенси­руются, наблюдаемая частица начинает совершать беспо­рядочные движения с меняющейся скоростью. ЖЛеррен определил на опыте все величины, нужные для определения постоянной Авогадро, связал радиусы частиц и вязкость среды.

В конце XLX в. были сделаны открытия, приведшие к отказу от представления о неделимом атоме, были открыты частички, много меньшие атома. Потом оказалось, что микрочастицы двигаются и взаимодействуют по иным законам, по квантовой механике. После открытия элемен­тарных частиц—электрона, протона, нейтрона и других и их античастиц — когда число их перевалило за три сотни, появилась в рамках атомистической программы гипотеза кварков. Из кварков состоят адроны, т.е. частицы, участ­вующие в сильном взаимодействии. В настоящее время здесь много нерешенных проблем, связанных с ограни­ченностью редукционного подхода. Поиск элементарных частиц, элементарных «кирпичиков» мироздания продол­жается.

ды на природу материи. С открытия электрона начался век атомной физики. Электрон был открыт в 1897 г.

Дискретность электрического тока отражена ужев работах М.Фарадея по электролизу — один и тот же ток приводит к выделению на электродах разного количества вещества в зависимости от того, какое вещество раство­рено. При выделении одного моля одновалентного вещества через электролит проходит заряд в 96 500 Кл, а при двух­валентном —заряд удваивается. После определения в конце ХГХ в. числа Авогадро появилась возможность оценить величину элементарного электрического заряда. Так как 6,02 • 10²³ атомов переносят заряд в 96 500 Кл, то на долю

65

одного приходится 1,2 • 10~¹⁹ Кл. Стало быть, это — мель­чайшая порция электричества или «атома электричест­ва». Георг Стоней предложил и назвать этот «атом электри­чества»электроном.

Так, исследования электрических токов в металлах привели к открытию закона Ома и термоэлектричества, в электролитах—к развитию физико-химического атомизма и созданию физической химии, в газах — к открытию электрона. Работа с токами в газах была осложнена труд­ностями получения разреженной газовой среды. Немецкий механик-стеклодув Г.Гейслер стал изготавливать трубки с разреженным газом, светящимся при пропускании через него электрического тока. Они служили для развлечений, пока В.Гиттгофф не обнаружил излучение из катода,которое вызывало флуоресценцию стенок трубки. Это излучение назвали катодными лучами. Английский физик У.Крукс показал, что эти лучи распространяются по прямой, отклоняются магнитным полем и оказывают механическое воздействие. Французский физик ЖЛеррен поместилвнутри разрядной трубки перед катодом металлический цилиндр, с отверстием против катода, соединил цилиндр с электроскопом и установил, что от катодных лучей ци­линдр заряжается всегда отрицательно. Когда для проверки лучи отклоняли магнитным полем, они не попадали в цилиндр, и он оказывался незаряженным. Так в 1895 г. родилась новая наука —электроника.

Через два года ДжДжТомсон поместил цилиндр Пер-рена не перед катодом, а сбоку: поднесенный магнит искривлял катодные .лучи так, что они попадали в цилиндр и заряжали его отрицательно, но при этом флуоресци­рующее пятно на стекле смещалось. Стало ясно, что заряд не отделим от катодных .тучей, а сами лучи — отрицательно заряженные частицы. Такой измерительный прибор назы­вают электронно-лучевой трубкой высокого вакуума. Под действием силы Лоренца, вызванной магнитным полем, включенным в области конденсатора, светящийся след падения пучка смещается на экране. Действуя одновре­менно электрическим и магнитным полями и меняя их величину, Томсон подобрал их так, чтобы они компенси­ровались, катодные лучи не отклонялись, и пятно на стекле не смещалось. Используя механику, он получил отноше­ниеelm — отношение электрического заряда к массечастицы — е/т = 1,3 • 10"⁷ Кл/г. В более ранних опытах, проведенных в его же лаборатории с использованием камеры Вильсона, в которой каждый ион является центром конденсации пара и постепенно становится видимым, было получено значение заряда газообразных ионов6,5 ■ Ю^-10 эл.-ст. ед. (1 Кл = 3 • 10⁹ эл.-ст. ед.). Если принять, что заряд их одинаков, то масса частиц оказывалась очень малой: порядка 10~²⁷ г. Томсон назвал эту частицу корпус­кулой, а электроном — только ее заряд, но потом и саму частицу катодных лучей назвали электроном (греч. elektron «янтарь»).

Милликен поставил опыт (1909 г.): в пространство между пластинами конденсатора впрыскивалось масло, так как оно испаряется медленнее воды. Проходя через гор­лышко пульверизатора, капельки из-за трения наэлект­ризовывались. В отсутствии электричества они падали медленно и равномерно. Сила тяжести уравновешивается

силой сопротивления воздуха и для положения равновесн можно записать: mg = qE = qV/d, где d—расстояние межд пластинами конденсатора. Отсюда и q = mgd/V. По это! формуле можно вычислить заряд капельки q из измерении величин g, d, V. Массу капельки можно найти по плотносп масла и скорости установившегося течения, поскольв известно, что скорость такого течения в вязкой сред зависит от размера тела или капелек.

Если напряжение подается, то движение капельки либ( замедляется, либо ускоряется в зависимости от направлени поля. Диаметр капелек измеряется с помощью микроскош Милликен изучал поведение капелек и при воздействш рентгеновскими лучами.

Милликен обнаружил, что заряды на капельках i произвольны, а равны целому кратному некоторой ост ной единицы заряда, т.е. и q = Ne, где N = 1, 2, 3... Еа существует элементарный электрический заряд, то изме ренные величины должны быть равны ему, когда к каш присоединяется один одновалентный ион, или в целое чиси раз больше при присоединении нескольких ионов, Oi измерил величину заряда на капельках масла, глицерин) ртути и т.д. и получил 1,6 ■ Ю^-19 Кл, что совпадало! полученным значением по исследованию электролиза. Та был определен удельный заряд электрона: 1,7 ■ 10^п Кл/кг и значит, т = 9,107 ■ 10~³¹ кг, т.е. масса электрона в 181 раз меньше массы атома водорода. Эта основная единиц; заряда фундаментальна и равна: е = 1,6 ■ 10^-19 Кл. Огш Милликена стал классическим. Итак, электричество (ш крайней мере, отрицательное) имеет, как и веществ! дискретную структуру, причем во всех явлениях атом отрицательного электричества имеют одинаковые массу] заряд. Магнитное поле катодных лучей обнаружил и изме рил в 1913 г. один из создателей русской физической шкап А.Ф.Иоффе. ДжДжТомсон за открытие электрона си лауреатом Нобелевской премии по физике за 1906 г.

Из многочисленных опытов с пропусканием электрона через вещество, Дж.Томсон заключил, что число элей ронов в атоме имеет порядок величины химической атомного веса. Но в нормальном состоянии атом доли быть электрически нейтрален, поскольку нейтралы! вещество, состоящее из атомов, и поэтому в каждом атом количества зарядов разных знаков равны. Поскольку мага электрона порядка 1/2 000 массы атома водорода, то мат положительного заряда должна быть в 2000 раз болы массы электрона. Например, у водорода почти вся маю связана с положительным зарядом. С открытием электрон! сразу же появились новые проблемы. Атом нейтрала значит, в нем должны быть другие частицы с полом тельным зарядом. Они еще не были открыты.

Атом переставая считаться неделимым. Мода строения атома — положительный заряд распределен! положительно заряженной достаточно большой области (возможно, и сферической формы), а электроны вкрают в него, как «изюм в пудинг» — в 1902 г. предложил Кельвш

Идея о сложном строении атома (из атомов водорода! была высказана еще в 1815 г. английским врачом У.Праутш В химии выработалось учение о химическом элемент В 1870 г. из сопоставления химических свойств элемент с их атомными весами Д.И.Менделеев представил свок

86

периодическую таблицу. Открытие спектрального анализа в 1859 г. физиком Г.Кирхгофом и химиком Р.Бунзеном и Периодического закона химических элементов Менде­леевым породили сомнения в неделимости атомов. Стало ясно, что сам атом — это сложная структура с внутрен­ними движениями составных частей, ответственных за характерные спектры.

ДжТомсон вслед за открытием электрона развил идею Кельвина. Атом — капля пудинга положительно заря­женной материи, внутри которой распределены электроны, находящиеся в состоянии колебательного процесса. Из-за этих колебаний атомы и излучают электромагнитнуюэнергию, что позволило ему объяснить дисперсию света, но и породило много вопросов. Исследуя на устойчивость разные конфигурации электронов, он хотел объяснить периодическую таблицу элементов. Дж.Томсон предпо­ложил, что устойчивым конфигурациям соответствуетустройство неактивных элементов типа благородных газов, а неустойчивым — более активных. По длинам волн испус­каемого атомами света Томсон оценил область, занима­емую таким атомом,—около Ю^-10 м. Он считал, что внутри атома действуют только электромагнитные силы, и рас­считывал характеристики излучения по теории Максвелла, делая много предположений. В1903 г. Томсон получил, что электроны при движении должны излучать эллиптические волны, в 1904 г. — что при большом числе электронов (более восьми) они должны располагаться кольцами, и

число их в каждом кольце уменьшается с радиусом кольца. В радиоактивных атомах число электронов не позволяет им быть устойчивыми, они выбрасывают альфа-частицы, и устанавливается новая структура атома.

Эксперимент одного из его учеников, Э.Резерфорда, привел к ядерной модели строения атома.

Когда был предложен корпускулярно-волновой дуализм материи, за обнаружение в кристаллах, облучаемых элект­ронами, интерференционных эффектов, т.е. за открытие волновых свойств электрона, сын Дж.Дж.Томсона ДжЛ.Томсон получил Нобелевскую премию по физике в 1937 г.

Открытия конца XIXвека —рентгеновских лучей (Рентген, 1895 г.),радиоактивности (Беккерель, 1896 г.),электрона (Цж. ДжТомсон, 1897 г.),радия (Пьер и Мария Кюри, 1898 г.),квантового характера излучения (Планк, 1900 г.) — были началом революции в науке. Атомизм вещества и электричества был дополнен дискретностьюдействия, что привело к созданию в конце 20-х годов XLX в. к созданию квантовой физики, а затем изменило все классическое естествознание и мировоззрение.

Но в атомы поверили как в сложную реальность только в конце XLXв., после открытия электрона и радиоактивно­сти, сложного характера атомных спектров, периоди­ческого закона химических элементов и открытия элект­рона.

6.3. ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА. СОВРЕМЕННАЯ НАУКА И ПОСТУЛАТЫ БОРА

Австрийский физик А.Гааз (1910 г.) применил к том-соновской модели атома квантовые представления о про­порциональности испускаемой атомом энергии и частоты обращения электрона по круговой орбите. Но из-за неточ­ности используемых в оценках величин получил значение константы Ридберга, большее в 8 раз, чем полученноевпоследствии Бором. Его работу, представленную в виде диссертации, посчитали слишком наивной «карнавальной шуткой» и «провалили». К этому времени уже стало понят­но, что число электронов должно быть пропорционально атомному весу, но из данных по рассеянию рентгеновских лучей в легких атомах следовало, что это число — в 2 раза меньше, а по другим опытным данным — вдвое больше. Данные о положительном заряде были не менее противо­речивы: испускание альфа-частиц свидетельствовало, что они находятся где-то внутри радиоактивных атомов. Мо­дель Томсона (он работал над ней почти 15 лет), основанная на классических законах электричества, не устояла перед опытной проверкой и критикой.

Планетарную модель строения атома первым пред­ложил ЖЛеррен, пытаясь объяснить наблюдаемые свой­ства орбитальным движением электронов. Но В.Вин пос­читал ее несостоятельной. Во-первых, электрон при вра­щении вокруг ядра, по классической электродинамике,должен непрерывно излучать энергию и, в конце концов, упасть на ядро, что приведет к неустойчивости атома.Во-вторых, из-за непрерывной потери энергии излучение атома должно иметь непрерывный спектр, а наблюдается линейчатый.

Опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов провели (1908 г.) Э.Марсден и ХТейгер, сотрудники Э.Резерфорда. Они обнаружили, что почти все частицы проходят через плас­тинку, будто никакого препятствия нет, и только 1/10 000 из них испытывает сильное отклонение. Модель Томсона это не могла объяснить, но Резерфорд, его бывший ассис­тент, обратил внимание на то, что большая часть частицотклоняется на малый угол, а очень малая—до 150°. Сделав оценки, Резерфорд пришел кпланетарной модели: поло­жительный заряд сосредоточен в объеме порядка 10~¹²со значительной массой. Этот объем в 10 тысяч раз меньше объема самого атома.

Считая орбиты электронов в атоме закрепленными, Томсон тоже пришел к планетарной модели (1913 г.). Но, решая задачу на устойчивость с использованием закона Кулона, он нашел такую орбиту лишь для случая одного электрона. Ни Томсон, ни Резерфорд не могли объяснить испускание альфа-частиц при радиоактивном распаде — выходило, что в центре атома должны быть и электроны. Об этом говорила М.Склодовская-Кюри. Резерфорд принял это, но ему пришлось приписывать электронам функцию склеивания ядер, чтобы кулоновское отталкивание не развалило ядро. Эти модели не позволяли получить коли­чественных результатов. В 1913 г. некоторые опытные данные по радиоактивным явлениям придали вес модели Резерфорда. Его ассистент Г.Мозли измерил частоту спектральных линий ряда атомов периодической системы и установил, что «атому присуща некая характерная вели-

67

чина, которая регулярно увеличивается при переходе от атома к атому. Это количество не может быть ни чем иным, как только зарядом внутреннего ядра».

Построение теории атома на основе планетарной модели наталкивалось на обилие противоречий, понимал и датский физик Н.Бор, который работал сначала в Кемб­ридже у ДжЛЪмсона, а потом переехал в Манчестер к Резерфорду.

1) По классической электродинамике электрон при вращении вокруг ядра должен непрерывно излучать энер­гию и, в конце концов, упасть на ядро, что приведет к неустойчивости атома. 2) Из-за непрерывной потери энер­гии излучение атома должно иметь непрерывный, а наблю­дается линейчатый спектр. 3) Но атомы ведь устойчивы и, вопреки классической физике, в них должны существовать дискретные стационарные орбиты, на которых электрон вовсе не излучает энергии. Сначала Бор пытался применить классическую механику и электродинамику к задаче о торможении заряженных частиц при движении черезвещество, но при заданном значении энергии электрона появлялась возможность приписывать ему произвольные параметры орбиты (или частоты), что приводило к пара­доксам. Планетарная модель атома Резерфорда оказы­валась несовместимой с электродинамикой Максвелла.

В феврале 1913 г. появились статьи Дж.Никольсона по интерпретации спектров звезд. Никольсон, распространяя идею Планка на атомы, предложил квантовать проекции момента электрона. Так появился атом с дискретными орбитами, по которым вращались группы электронов, излучающие электромагнитные волны с частотой, равной частоте обращения. Такая модель годилась для сильно возбужденных атомов, и Никольсон объяснил некоторые особенности в спектрах звезд и туманностей исходя из модели атома Нагаока — представления об электронном кольце, вращающемся вокруг положительно заряженного ядра. Атом у Никольсона характеризовался в первую очередь своим спектром излучения. Он связал со спект­ральными частотами частоты специально постулированных механических колебаний электронов, перпендикулярных плоскости кольца. Но тут возникли проблемы устойчивости атома, так как нужно было вводить специальные ограни­чения — вращающийся электрон должен двигаться где-то без излучения! (Но Никольсон до этих проблем еще не дошел.)

Теорию строения атома Бор согласовал с проблемой происхождения спектров. Он дополнил модель Резерфорда постулатами, которые обеспечивали устойчивость атома и линейчатый спектр его излучения, но были несвойст­венны классической науке. Бор уже через месяц представил первую, самую существенную часть своей работы «О строе­нии атомов и молекул». Но ему пришлось отказаться от традиционных представлений классической механики и обратиться к квантовой гипотезе Планка: «Определенное соотношение между кинетической энергией в кольце и периодом обращения» — это перенесение соотношения Е = hv, выражающего связь между энергией и частотой осциллятора, на случай системы, совершающей перио­дическое движение. Спектральные формулы Бальмера, Ридберга и Ритца позволили сформулировать требования

обеспечения устойчивости атома и линейчатого характер; спектра атома водорода:

1. в атоме существует несколько стационарных состо» ний (или орбит в планетарной модели), электронов, ш которых атом не излучает энергии;

2. при переходе электрона с одной стационарной орби­ты на другую атом излучает или поглощает порцию энергия, пропорциональную частоте, согласующейся с правило» частот Ридберга-Ритца.

Итак, Бор постулировал частоты и существованш стационарных состояний. То, что электрон может нах» диться только на определенных орбитах, сразу объясни линейчатый спектр атомов — электрон испускает свя только при переходе с одной орбиты на другую, т.е. дискрет ными порциями, и не излучает, находясь на дозволенно! орбите. Правильность его предположений могло под­твердить только хорошее согласие с экспериментом. Постулаты Бора были радикальны, и для их восприятия научному сообществу, не принимавшему независимой частоты излучения от частоты периодического движем излучающего заряда, требовалось преодолеть определен­ный психологический барьер. Бор, применив свою полу­классическую теорию к строению простейшего атома (водорода), сумел объяснить две известные в то вреш спектральные серии и предсказал еще две, пока не откры­тые. Он дал рациональное объяснение таинственны» сериям спектральных линий, определил радиус атома и подсчитал значение постоянной Ридберга, входившей в комбинационный принцип Ридберга-Ритца. Это было огромным успехом. Но при переходе к более сложным атомам Бор столкнулся с трудностями — для атома re.ui только математическими, а при нескольких электрона задача оказалась сложнее, чем задача многих тел в теории Ньютона. И Бор стал строить водородоподобные модем. Хотя данные по спектрам водорода уже на следующий гщ были подтверждены, но пока согласия с опытом был немного.

В том же 1913 г. Дж.Франк и Густав Герц пытались на опытах изменить планетарные орбиты электронов в атомах. Электроны вылетали из источника — электронной пуш­ки—с энергией, которая определялась ускоряющим напря­жением, приложенным к двум проволочкам, и проходил! через газ из паров натрия, сталкиваясь с ними и искажая свои орбиты, точно так же, как звезда, проходящая вблизи планеты, исказила бы ее орбиту. По закону сохранения энергии это воздействие должно было бы изменить ско­рости электронов в выходящем из газовой камеры пучке. Но оказалось, что скорость электронов в пучке почти не менялась, если их начальная энергия была меньше неко­торой минимальной величины (большей в 1000 раз тепловой энергии при обычной температуре), т.е. энергию электрона нельзя изменить на произвольную величину, чего не может быть при воздействии на планетную систему.

Получалось, что атому водорода можно сообщить только 10; 12; 12,5; 12,9... эВ энергии, тогда как атому натрия — 2,1; 3,18; 3,6; 3,75... эВ и т.д. Каждая величина энергии соответствует определенному состоянию дви­жения электронов, а каждая линия — состоянию, которое атомы могут принимать (такие состояния назвали разре-

шенными квантовыми состояниями, а остальные — запре­щенными). Состояние с наименьшей энергией определили как основное состояние, а остальные разрешенные — как возбужденные. Пороговая энергия равна разности между первым возбужденным и основным состояниями. Так возникло представление о квантах энергии. Ряд разре­шенных значений энергии атома обычно называют его спектром. Даже из приведенных выше значений разре­шенных порций энергии для атомов видно, что с ростом энергии возбуждения квантовые состояния становятся столь близкими, что почти сливаются, и квантовые эф­фекты исчезают.

Если воспользоваться сравнением энергии с банковским счетом, предложенным В.Вайскопфом, известным физиком и популяризатором, то можно сказать, что «банк разрешает вносить вклады на счет и снимать с него только некоторые определенные суммы, чтобы держать величину вклада на одном из заранее предписанных уровней... Но странные правила, регулирующие банковский счет, не применяются к большим вкладам, потому что размеры дозволенных операций по вкладам становятся тем меньше, чем больше счет».

Модель Бора — первая квантовая модель атома. Объединив в себе результаты, полученные при иссле­дованиях радиоактивности, оптических и электромаг­нитных явлений, она положила начало новой эпохе в развитии теории атома и сразу же обнаружила свою пло­дотворность в спектроскопии и химической связи. Предска­зание спектра атома водорода явилось выдающимся пред­сказанием теории Бора. Это был величайший триумф физики. За создание квантовой теории атома Бор стал лауреатом Нобелевской премии по физике в 1922 г. Даль­нейшее развитие теории привело к созданию Шредингером и Гейзенбергом квантовой механики, описывающей пове­дение мельчайших частиц в микромире (1926 г.). Все дискретности величин в микромире оказались пропорци­ональными постоянной Планка, введенной в 1900 г. для решения проблем излучения. Этот квант действия и дат название новой механике (нем. quant < лат. quantum «сколько»).

Впоследствии установили, что электрон не может рассматриваться как материальная точка, что он обладает волновыми свойствами, что он имеет структуру, зависящую от его состояния, что и боровских стационарных орбит не существует. Из-за своей волновой природы электроны и их

заряды как бы размазаны по пространству атома, причем так, что электронная плотность неоднородна и в опреде­ленных местах имеет максимумы. Описание поведения электронного облака дано в квантовой механике, но это описание становилось все более далеким от наглядности. Микромир не позволяет описывать привычным образом поведение своих объектов, так как в нем теряется наг­лядность описания, связанная со свойствами частицы или волны: например, электрон, который привыкли считать частицей, проявляет и волновые свойства, а световая волна начинает вести себя, как частица. Специфика квантово-полевых представлений состоит в вероятностной форме законов.

При очень больших значениях энергии, сообщенной атому, он теряет свои свойства, образуя четвертое агре­гатное состояние — плазму. В плазме исчезают почти все упорядочения, отличающие один атом от другого, там царит хаос. Плазма газообразного неона (где на атом 10 элект­ронов) имеет те же свойства, что и плазма газообразного натрия с одиннадцатью электронами. Хаос таких высоких температур на Земле возможно наблюдать только в лабо­раторных условиях, а для космоса плазма — обычное явление, которое часто встречается в виде газа, испу­щенного звездами, или внутри Солнца и звезд. Так что при больших энергиях атом и ведет себя как планетная система, а отклонения происходят только при низких, порционных, значениях энергии.

Бор показал, что к формуле Бальмера можно придти по аналогии с классической электродинамикой, которая должна иметь место при излучении больших длин волн. В самом деле, излучение в этой области спектра согла­суется с классической формулой Рэлея-Джинса. Это поло­жение, названное Бором «Принципом соответствия», стало методологическим основанием первоначального развития квантовой механики. В пределе, когда стацио­нарные состояния оказываются близкими и мало отлича­ются друг от друга, можно пользоваться классическими представлениями. Но для дальнейшего развития теории этот принцип не оказал конструктивной помощи. Ван дер Верден назвал весь период с 1919 по 1925 гг. периодом «систематического угадывания» на основе принципа соот­ветствия. С.И.Вавилов считал, что неудача с расчетами атома гелия лишила Бора мощного орудия исследования— использования классических представлений для «почти интуитивного угадывания истинных отношений».

6.4. ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ. ВОЗМОЖНОСТЬ ПРЕВРАЩЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДРУГ В ДРУГА

Явление радиоактивности открыл французскийфизик А.Беккерель, исследуя люминесценцию (1896 г.). Он облучал солнечными лучами различные вещества, завора­чивал их в черную бумагу и помещал над фотопластинкой. В отличие от других веществ, бисульфат урана и калий вызывали почернение фотопластинки и без солнечного облучения, самопроизвольно, и это новое излучение иони­зовало воздух, как и рентгеновское. При попытках изме­рить эту особенность, Склодовская-Кюри открыла новый элемент — радий, а сам эффект излучения назвала радио­активностью (лат. radio «испускаю лучи»). Интенсивность

излучения радия в сотни тысяч раз была больше, чем у урана. Происхождение радиоактивности — ключ к пони­манию строения атомов и ядер.

Закон спонтанного распада радиоактивных атомов связывает радиоактивные превращения с уже известными видами естественной радиоактивности — альфа-, бета-и гамма-лучами. Резерфорд и Ф.Содди, занимаясь радио­активностью и изучая химическую природу эманации тория в Монреале (1901-1902 гг.), установили, что этот газ инертный и что это один из изотопов аргона. Кроме того, они обнаружили и другой газ, существенно активнее тория,

69

причем его активность убывапа вдвое за четверо суток. Вероятно, эманация принадлежала этому элементу, а не торию. Так они пришли к выводу, что «радиоактивность нужно рассматривать как проявление внутриатомного химического процесса». В 1903 г. они вывели закон такого распада: при испускании альфа-лучей (ядер атомов гелия) образуется новый элемент, стоящий в периодической таблице на две клетки левее, а при бета-распаде — на одну клетку правее. «Радиация сопровождает превращения атомов и служит мерой, определяющей степень их распа­да», — выразился Резерфорд при получении им за эти работы Нобелевской премии по химии (1908 г.). Было признано, что они стимулировали исследования в области радиоактивных превращений, т.е. в некотором смысле воплотили в себе старую мечту алхимиков о превращении элементов.

Новые элементы, возникающие при радиоактивном распаде, исследовал Содди. Он, как и другие, не мог отделить ионий от тория никакими химическими спо­собами. Это было странно, поскольку большинство радио­активных элементов расположено в Периодической таб­лице вблизи инертных газов, а свойства элементов в этой части таблицы легко предсказываются, поэтому они долж­ны и легко отделяться. Кроме того, в этой части таблицы нет свободных клеток. Еще расчеты по модели атома Томсона показывали, что число электронов в атоме пропор­ционально атомному весу. Так Содди пришел к выводу и показал, что в одной клетке таблицы могут быть элементы с разной массой, но обладающие одним зарядом ядра и одинаковыми свойствами. Содди назвал их изотопами (греч. iso «одинаковый» и tope «место»). Впоследствии установили, что в состав ядра входят нейтроны, которые и изменяют массы. Содди за большой вклад в исследование атомов стал лауреатом Нобелевской премии по химии за 1921 г.

Разделял изотопы методом газовой диффузии англий­ский физик Ф.Астон еще в 1913 г. Потом он предложил электромагнитный метод — ионизованные атомы откло­няются электрическим или магнитным полем, при этом величина отклонения зависит от массы. В 1919 г. Астон сконструировал первый масс-спектрограф, который свел проблему к простой лабораторной операции и произвел настоящую революцию в исследовании изотопов.

С помощью масс-спектрографа Астон выяснил почти все об изотопах. Так, вскоре показали, что хлор имеет изотопы 35 и 37, а в первых опытах фиксировались еще и гидриды с весами 36 и 38, и нужно было еще выяснять какие из пучков атомные, а какие — молекулярные. Астон занималсяразработкой методов разделения изотопов, за что получил в 1922 г. Нобелевскую премию по химии. Он открыл боль­шое число стабильных изотопов и занимался их изучением. Все опытные факты, полученные в лаборатории Резер-форда, относились к радиоактивным элементам, поэтому необходимо было получить подтверждение, что и нор­мальные атомы устроены аналогично.

Первая мировая война затормозила эти исследования, и только в 1920 г. Резерфорд приступил к экспериментам по облучению азота альфа-частицами. Появлялись ионы водорода с одним зарядом, названные Марсденом прото-

нами, но их получалось всего 20 на 10⁶ альфа-частиц. Кроме протонов, Резерфорд получил и изотоп кислорода с массой 17. Но последующее открытие Чэдвиком нейтрона сущест венно углубило понимание процессов превращения эле ментов.

Первую ядерную реакцию с искусственным превра­щением элементов осуществили в 1921-1922 гг. Резерфорд и ДжЛэдвик. Результаты своих более подробных иссле дований этих реакций в Кавендишской лаборатории (Кем& ридж) Чэдвик опубликовал только в 1932 г. Они касалиа облучения бериллия, при котором получались частицы с массой протона без заряда, названные Чэдвиком нейт­ронами (лат. neutrum «ни то ни другое»). Резерфорд предсказал существование таких частиц еще в 1921 г. 3» это открытие Чедвик стал лауреатом Нобелевской премии по физике (1935 г.).

Расщепления атомов кислорода под действием ней ронов добились в том же 1932 г. австрийский физик Л .Майт-нер и КФилипп. Потом были получены и другие расщев ления. «Большая эффективность нейтронов в получении ядерных реакций, — говорил Чедвик,—легко объясняется. При столкновении заряженной частицы с ядром вероят ность ее проникновения в ядро ограничена кулоновско! силой. И это определяет то минимальное расстояние, ш которое может приблизиться частица и которое возрастая с увеличением атомного номера ядра и становится стоя большим, что вероятность проникновения в ядро становита малой. В случае соударения с ядром нейтрона ограничения такого типа не возникает. Сила взаимодействия нейтрон) с ядром очень мала, только на малых расстояниях ош начинает быстро расти и носит характер притяжения, Вместо потенциального барьера, как в случае заряженнш частиц, нейтрон встречает "потенциальную яму". Поэтош даже нейтроны слабых энергий могут проникать в ядро»,

Квантовомеханическую теорию алъфа-pacnak создали в 1928 г. молодой советский физик ГАГамов! независимо Р.Гарни и Э.Кондон. Было непонятно, как мога альфа-частица преодолеть потенциальный барьер и выйп из ядра, и Гамов объяснил явление с помощью волново! механики, использовав аналогию с частичным пронии новением света во вторую среду при падении на границ)' раздела двух сред под углом, большим угла полного внут реннего отражения.

Проблема состава ядра после открытия нейтрона стала актуальной. В1930 г. В ААмбарцумян и ДДИванеш высказали идею, что электронов вообще нет в ядре. Пои открытия нейтронов Иваненко предположил, что яф состоят только из протонов и нейтронов (1932 г.) Гипотеза Иваненко, привлекательная своей простота, была подтверждена последующими исследованиями ядер ных превращений, быстро распространилась и стала испол» зоваться даже для обозначений. Протоны и нейтроны, и основу строения ядра, стали называть нуклонами. Проблем! ядерных сил до сих пор не имеет решения, хотя эта гипотея лежит в основе современной теории строения ядра.

Теорию бета-распада в 1936 г. выдвинули Паулиi итальянский физик (эмигрировавший в 1938 г. в СПИ) Энрико Ферми. Они предположили, что в ядре происходи превращение нейтрона в протон с одновременным испус-

70

канием электрона и нейтрино (нейтральной частички, обладающей ничтожной массой и собственным моментом вращения, или спином, равным 1/2). Испускание электрона

происходит примерно так же, как фотон испускается атомом.