Г Л А В А 1

ОСНОВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРОЕНИИ АТОМА

§ 1.1. Модели атома

1. Слово «атом» (на греческом – ) означает «неделимый». Атомами древнегреческие мыслители называли мельчайшие частицы, из которых, согласно их представлениям, состоит Вселенная, весь окружа-ющий нас мир. Эти представления нашли отражение в формуле: «Начало Вселенной – атомы и пустота… Атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во Вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последние суть соединения некоторых атомов…» (Демокрит). Однако представления об атомах и пустоте отвергал великий мыслитель древности Аристотель, который развивал идею о бесконечной делимос-ти 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 преследо-валось католической церковью. Возрождение идей атомизма связывают с именем французского философа Гассенди (1649). Затем атомная гипотеза развивалась в трудах Ньютона, Бойля, Ломоносова и многих других. Но все же идея о существовании атомов оставалась умозрительной вплоть до конца 18 века, когда началось количественное изучение химических пре-вращений. На основе гипотезы об атомах английский химик Дальтон (1802) сформулировал понятие о химическом элементе и открыл закон простых кратных отношений, позволивший разработать метод определе-ния атомных весов (теперь – атомных масс) элементов. Австрийский фи-зик Лошмидт в 1865 г. определил число молекул в 1 при нормальных условиях (число Лошмидта ). Было показано также, что размер атома по порядку величины равен и что масса атома водорода равна примерно г. Но окончательно атомистические представления утвердились лишь в конце 19 века благодаря развитию ки-нетической теории газов (Максвелл, Больцман, Клаузиус, Бернулли, Джоуль и др.). Эта теория была непосредственно подтверждена в опытах французского физика Перрена (1909) по броуновскому движению (Броун, 1827). Наряду с этим из законов электролиза Фарадея (1827) 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 и тот же электрический заряд, определяемый числом Фарадея F= = Кл/моль. Во второй половине 19 века было оп-ределено число Авогадро частиц/моль – число атомов (мо-

лекул) в одном моле вещества. Таким образом, на долю одного атома (иона в электролите) приходится заряд

. (1.1)

Этот элементарный электрический заряд ирландский физик Стони пред-ложил называть электроном (1891).

Исследования электрических разрядов в газах привели к откры-тию катодных лучей (Плюккер, 1859). Английский физик Дж. Дж. Том-сон (30 апреля 1897 г.) доказал, что катодные лучи представляют собой пучок отрицательно заряженных частиц, масса которых почти в 1840 раз меньше массы иона водорода. Эти частицы, несущие элементарный эле-ктрический заряд, были названы электронами. Первые наиболее точные измерения заряда электрона выполнил американский физик Милликен (1911).

Огромную роль в развитии представлений о строении атома сыг-рали спектральные исследования. Такие исследования были начаты в 1666 г. Ньютоном, открывшим явление разложения солнечного света на спектральные компоненты. Впоследствии Юнг (1803) на основе волно-вых представлений о свете показал, что каждый цвет характеризуется своей длиной волны, и измерил длины волн. Было введено важное поня-тие спектроскопического волнового числа (Стони, 1871). Шведский учи-тель Бальмер в 1885 г. обнаружил закономерность в спектральных лини-ях атома водорода, измеренных ранее Ангстремом (1868). Шведский уче-ный 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 превра-щения элементов, процессы в газовых разрядах, а также многие другие факты заставили физиков в начале 20 века отказаться от представлений об атоме, как о бесструктурной неделимой частице вещества. Стало ясно, что в состав атома должны входить элементарные заряженные частицы – электроны, а также положительные заряды, так как атом в целом является электрически нейтральным.

Оценивая значение гипотезы об атомах, выдающийся американ-ский 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 наи-меньшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можете называть ее не гипо-тезой, а фактом – это ничего не меняет): все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, при-тягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из

них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе содержится неве-роятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения» (Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэ-ндс. Фейнмановские лекции по физике. Т.1, 2. М.: Мир, 1976, с. 23).

2. Первая модель атома принадлежит Перрену (1901). Он считал, что в центре атома находится положительно заряженная частица, которая окружена некоторым количеством электронов, компенсирующих поло-жительный заряд. Предполагалось, что эта система зарядов под действи-ем внутренних электромагнитных сил является динамически стабиль-ной, при этом периоды обращения системы связывались с соответствую-щими частотами (длинами волн) спектра излучающего атома. Аналогич-ные соображения высказывал японский физик Нагаока (1904), предло-живший «сатурнианскую» модель атома. Он считал, что центральная по-ложительно заряженная частица окружена электронами, находящимися на равных расстояниях друг от друга и вращающимися с одинаковой угловой скоростью. При этом возникновение линий излучения атома свя-зывалось с малыми поперечными колебаниями электронов. Однако все эти соображения не были подкреплены экспериментом, носили умозри-тельный характер и не привели к положительным результатам. В 1903 г. Дж. Дж. Томсон предложил «капельную» модель атома, или модель «пу-динга», которая в свое время широко использовалась. Согласно этой мо-дели, атом рассматривался как «сфера однородной положительной элек-тризации», внутри которой вкраплено (как изюминки в пудинге) опре-деленное количество электронов, нейтрализующих положительный за-ряд. Испускание света атомом рассматривалось как результат квазиупру-гих колебаний электронов около их положений равновесия. Однако мо-дель Томсона также оказалась неудовлетворительной. Это связано, в пер-вую очередь, с тем, что электростатическая система зарядов не может быть устойчивой (теорема Ирншоу). Первые опыты по изучению строе-ния атома проводил немецкий физик Ленард в 1903 г. с помощью катод-ных лучей – пучка электронов. Если бы атомы представляли собой мас-сивные непроницаемые шарики, то в результате столкновений с ними электроны очень скоро бы остановились. Однако опыты Ленарда показа-ли, 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 неу-довлетворительной. Лишь английскому физику Эрнесту Резерфорду уда-лось сформулировать и обосновать экспериментально модель атома, ко-торую называют ядерной, или планетарной (1911). Однако планетарная модель находилась в противоречии с законами классической физики. Вы-ход из противоречия нашел датский физик Нильс Бор, который ввел пос-тоянную Планка (1900) для описания свойств атомов и создал первую квантовую модель атома (1913). Дальнейшие открытия и гениальные догадки великих физиков привели к построению современной картины строения атомов, основанной на понятиях квантовой механики. Подроб-нее об эволюции представлений о строении атома см.: М. Джеммер. Эволюция понятий квантовой механики. М.: Наука, 1985.