Современные взгляды на структуру атома

В XIX веке в науке безраздельно господствовала атомистическая гипотеза строения вещества. Атомы, как и следует из их определения, считались мельчайшими частицами материи, ее фундаментом. Структурный состав атома был неизвестен. Однако в конце столетия целый ряд открытий поставил остро вопрос о структуре атома.

Во-первых, было открыто явление радиоактивности и доказана взаимопревращаемость атомов различных элементов. В 1896 г. Анри Беккерель (1852-1908) открыл излучение урана, в 1898, супруги Кюри ввели термин " радиоактивность". В 1903 году Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди (1877-1956) опубликовали статью, в которой содержались следующие вы воды:

" Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев с огромной скоростью выбрасывается осколок атома – α (альфа)-частица, в некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением рентгеновских лучей, обладающих большой проникающей способностью и известных под названием гамма-излучения.

Радиация сопровождает превращения атомов и служит мерой, определяющей степень их распада. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само тоже неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения" [45].

Во-вторых, были открыты катодные лучи (1876 г.). Относительно последних ученые некоторое время полемизировали: являются ли эти лучи волнами или частицами. Дж.Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, нашел заряд и массу этих частиц. В 1891 г. Дж. Стони ввел слово " Электрон", которое быстро распространилось и после 1900 года стало общепринятым. Открытие электрона было особо значимым потому, что удалось показать, что источником электронов - катодных лучей - является атом. В первые же годы исследования электрона были достаточно точно установлены его электрический заряд и масса.

В 1897-1898 годах Томсон (лорд Кельвин) (1824-1907) предложил первую модель атома. В этой модели атом представляет собой сгусток положительного электричества, в который вкраплены электроны. Их число компенсирует положительный заряд, так что в целом атом электрически нейтрален.

Джозеф Джон Томсон предположил, что электроны должны находиться в быстром вращательном движении и что, если электронов больше восьми, они располагаются кольцами, причем число электронов уменьшается с уменьшением размера кольца. В радиоактивных элементах вследствие уменьшения скорости электронов она достигает некоторой предельной величины, устойчивость атома нарушается, и происходит взрыв атома: выбрасываются известные лучи и частицы и устанавливается новая структура атома.

Модель атома Томсона просуществовала лишь краткое время и была отвергнута как не отвечающая результатам опыта. Она не могла объяснить наблюдавшееся в опытах Гейгера и Марсдена сильное отклонение некоторых (одна из 10.000) альфа-частиц от первоначальной траектории при прохождении их через тончайшие пластины вещества.

Японский физик Хантаро Нагаока (1865-1950) предложил модель, в которой атомная система состоит из большого числа частиц одинаковой массы, расположенных на круговой орбите вокруг массивной центральной частицы, которая притягивает остальные частицы и, тем самым, цементирует атом.

Английский физик Эрнест Резерфорд (Новозеландец по происхождению) предложил так называемую планетарную модель атома. В модели Резерфорда атом состоит из положительного ядра, по своим размерам много меньшего полного размера атома, и отрицательных электронов, вращающихся по круговым орбитам вокруг ядра. Резерфорд, благодаря опытам Генри Мозли (1887-1915), а также и другим опытам по рассеиванию альфа-частиц, считал число электронов равным номеру элемента в таблице Менделеева, заряд же атомного ядра также оказывался равным этому номеру.

Модель Резерфорда хорошо объясняла опыты по рассеянию на веществе альфа-частиц, но ей оказались присущими неразрешимые противоречия, которые скоро оказались в центре внимания физиков. В своей модели атомного ядра Резерфорд исходил из классических представлений (из электродинамики Максвелла). Согласно этим представлениям ускоренно движущийся электрон (движение по круговой орбите всегда является ускоренным) должен излучать электромагнитную энергию, а излучая, терять свою собственную энергию и массу, замедлять движение, уменьшать орбиту вращения и, в конечном итоге, падать на ядро атома, нейтрализуя его.

Кроме того, модель Резерфорда столкнулась и с другой фундаментальной трудностью: невозможностью из нее объяснить линейчатую структуру атомных спектров.[46]

Выдающийся датский физик НильсБор (1885-1962) работал в лаборатории Томсона в Кембридже в 1911 году, а в 1912 перешел в лабораторию Резерфорда в Манчестере. Там он выдвинул гипотезу, которая оказалась способна исправить фундаментальные трудности планетарной модели атома Резерфорда: объяснить природу линейчатых спектров и одновременно объяснить устойчивость атома. Эта гипотеза была сформулирована Н.Бором в виде двух постулатов:

первый постулат (так называемый постулат стационарных состояний). Он заключается в том, что электроны располагаются на стационарных орбитах, и " движение" электронов по этим орбитам не влечет за собой излучения электромагнитной энергии;

второй постулат (так называемое правило частот). Суть этого постулата в том, что при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (или же соответственно поглощается) квант электромагнитной энергии (фотон), причем его энергия равна разности энергетических характеристик стационарных состояний и пропорциональна постоянной Планка.

Сам Бор следующим образом выразил свои идеи: " В форме, в которой мы будем в дальнейшем применять принципы квантовой теории, за основу в наших рассуждениях будет принят следующий постулат: атомная система, испускающая спектр, состоящий из четких линий, может находиться в определенных различных состояниях, которые мы будем называть стационарными состояниями.

Система может пребывать в таком состоянии по крайней мере в течение некоторого времени, не излучая. Излучение имеет место только при полном переходе из одного стационарного состояния в другое и представляет собой всегда ряд простых гармонических волн. В этой теории частота излучения, испускаемого при таком процессе, не определяется непосредственно движением электронов в атоме, подобно тому как это имеет место в классической электродинамике. Вместо этого частота просто связана с общим количеством энергии, излученным во время перехода: произведение частоты ν (" ню") на постоянную Планка h (" аш)" равно разности значений ε ' – ε '' (" Е-штрих" и " Е-два штриха") энергии атома в обеих стадиях интересующего нас процесса, так что hν = E'-E". [47]

Гипотеза Бора при всей своей внешней простоте противоречила основным принципам классической электродинамики Максвелла. Принятие этой гипотезы означало становление новой неклассической теории - квантовой механики. Эта новая теория позволила заглянуть внутрь микромира - внутрь атомного ядра и описать процессы, которые там происходят. Эта теория позволила проникнуть в структуру и объяснить некоторые из свойств элементарных частиц.

Квантовая модель атома Н.Бора позволяла объяснить лишь поведение электронов в атоме. Структура и поведение атомного ядра по-прежнему оставались загадкой. Вместе с тем было известно, что в атомном ядре существуют протоны – достаточно тяжелые элементарные частицы, с единичным положительным электрическим зарядом[48].

Первой из элементарных частиц, ставших известными науке, стал электрон, открытый в конце XIX века и названный так Джоржем Стони (1826-1911) в 1891 г., затем Резерфорд открыл альфа-частицы, вскоре был открыт протон, а к 1932 году - нейтрон. Открытие нейтрона привело к созданию протнон-нейтронной модели атомного ядра, согласно которой положительно заряженной ядро атома состоит из протонов и нейтронов. На основе этой модели успешно было объяснено явление изотопии[49]. Вместе с тем перед физикой встали два важнейших вопроса:

Что удерживает положительно заряженные протоны в ядре, в то время как из закона Кулона следует, что одноименные положительные заряды отталкиваются друг от друга с величиной пропорциональной произведению этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними?

Почему нейтрон, распадающейся в свободном состоянии за время приблизительно равное 17 минутам, остается в ядре по-видимому стабильным? В противном случае ядро и все химические элементы должны были бы распадаться.

Ответы на эти вопросы привели к созданию учения о четырех видах фундаментальных взаимодействий. Они же легли в основу теории элементарных частиц. На первый из поставленных вопросов можно ответить следующим образом: очевидно положительные частицы (протоны) в ядре атома связываются сильнее, чем отталкиваются по закону Кулона. Это взаимное притяжение частиц ядра было названо сильным взаимодействием.