Создание теории строения атома

Имеет ли атом структуру или нет, состоит ли он из более мелких частиц материи или нет, является ли он истинно неделимым и т. д., – эти вопросы возникали в истории науки и философии уже давно. Для многих ученых и философов прошлых веков атом представлялся действительно неделимым, не имеющим внутреннего строения. Однако были и такие, которые предлагали различные гипотезы о его строении.

В начале XIX в. мысль о сложном строении атомов высказал английский ученый Праут. Он исходил из результатов измерений, которые показали, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. На основе этого Праут и высказал гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода.

Новый толчок для развития идеи о сложном строении атома дало открытие Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834—1907) периодического закона. Уже одно это открытие наталкивало на мысль о том, что атомы не являются неделимыми, что они обладают структурой и их нельзя считать первичными материальными образованиями. И действительно, вскоре появились новые гипотезы о строении атома. Так, например, английский химик и физик Крукс, опираясь на открытие Менделеева, высказал гипотезу о том, что все элементы образуются из некоего первоначального вещества, «протипа», в результате его конденсации.

Открытие периодического закона Менделеева натолкнуло на идею о сложном строении атома Николая Александровича Морозова (1854— 1946). Все атомы химических элементов, по Морозову, состоят из пяти основных частиц: трех частиц с атомными весами 1, 2, 4 (структурного водорода, протогелия и архония) и двух частиц электричества: отрицательной – «катодия» и положительной – «анодия». Все химические элементы в соответствии с его теорией являются сочетанием этих, как бы мы теперь сказали, элементарных частиц.

Теория строения атома, однако, начала по-настоящему развиваться только после открытия электрона и радиоактивности. Эти открытия совершенно определенно свидетельствовали о том, что атом нельзя считать неделимым и не имеющим внутреннего строения.

Первая модель атома на основе новых открытий была разработана В. Томсоном и Дж. Дж. Томсоном. В наиболее законченном виде она была изложена в 1903 году в книге «Электричество и материя». Согласно этой модели, атом состоит из положительного заряда, равномерно заполняющего сферу, размеры которой имеют тот же порядок, что и атом. Внутри сферы находятся отрицательные заряды – «корпускулы», размеры которых гораздо меньше размеров сферы. Число корпускул в атоме велико. Так, по Томсону, самый малый атом, атом водорода, содержит около 1000 корпускул.

С помощью своей модели Дж. Дж. Томсон пытался объяснить многие физические и химические явления. Прежде всего Дж. Дж. Томсон показал, что его модель позволяет объяснить периодичность химических свойств элементов, выражаемую периодическим законом Менделеева. Оказывается, что при устойчивом состоянии атома электроны в нем должны располагаться концентрическими слоями с определенным числом электронов в каждом слое. С помощью предложенной модели Томсон объяснял линейчатый характер атомных структур, хотя спектральные закономерности ему объяснить не удалось.

Несмотря на то, что уже вскоре была обнаружена ограниченность модели Томсона, она сыграла положительную роль в развитии теории строения атома. Из теории Томсона был заимствован ряд идей, и, прежде всего, идея о слоистом расположении электронов в атоме и объяснение на ее основании периодической системы элементов.

Японский физик Нагаока в 1904 году предложил планетарную модель атома. По этой модели атом состоит из положительного ядра, вокруг которого вращается кольцо, состоящее из большого числа электронов.

В 1905 году в докладе на 77-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей вопроса о планетарной модели атома коснулся Вин. Он высказался против такой модели, поскольку атом, построенный согласно ей, не может быть устойчивым, вследствие того, что электроны в таком атоме должны излучать и быстро терять энергию.

В 1909–1910 годах сотрудниками лаборатории английского физика Эрнеста Резерфорда (1871–1937) были проведены экспериментальные исследования рассеяния альфа-частиц тонким слоем вещества. Эти исследования показали, что для большинства альфа-частиц, пронизывающих тонкий слой вещества, можно принять, что они рассеиваются силовыми центрами, которые действуют на них с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Для некоторых же сравнительно немногих частиц, отклонение которых составляло угол ~90° и больше, нужно было принять, что они встретились с очень сильными электрическими полями.

Анализируя данные эксперимента, Резерфорд был вынужден в 1911 году в работе «Рассеяние альфа- и бета-частиц веществом и строение атома» высказаться за планетарную модель атома. По теории Резерфорда, атом состоит из положительного ядра, гораздо меньших размеров, нежели атом, порядка 10^(-15) м. Вокруг ядра вращаются электроны. Резерфорд полагает, что число электронов в атоме должно быть равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Модель атома Резерфорда, казалось, совершенно определенно следовала непосредственно из экспериментов. Однако несмотря на это, против нее можно было выдвинуть те же возражения, которые были высказаны Вином против планетарной модели. Кроме того, данная модель не могла объяснить вид атомных спектров, при изучении которых уже была установлена определенная закономерность в распределении спектральных линий.

Таким образом, проблему строения атома нельзя было считать решенной. В 1913 году Дж. Дж. Томсон, учтя экспериментальные данные по рассеянию альфа-частиц и соображения Резерфорда, разработал новую модель атома. Теперь он предположил, что атом состоит из ядра малых размеров, вокруг которого расположены электроны. Но сила взаимодействия между электронами и ядром уже не является кулоновской, а зависит от расстояния по более сложному закону. В случае действия такой силы электроны в атоме могут находиться в равновесии, будучи неподвижными. В этом случае электроны при равновесии должны располагаться вокруг ядра в виде колец, аналогично тому, как это было в первой модели Томсона. Будучи выведен из положения равновесия, какой-нибудь электрон начинает совершать внутри атома периодическое движение. Появились и другие работы, в которых высказывались новые гипотезы о строении атома, отличные и от гипотез Резерфорда и Томсона. Однако все эти гипотезы носили искусственный характер и не имели успеха.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: