2. Атомистическая концепция строения материи

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном. В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии.

Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем (1852 – 1908) было открыто явление радиоактивности. Изучение радиоактивности было продолжено французскими физиками супругами П. Кюри (1859-1906) и М. Склодовской-Кюри (1867-1934), открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию английским физиком Дж. Дж. Томсоном (1856 – 1940) электрона. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

Исходя из такой массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (1824 – 1907, с 1892 лорд Кельвин), предложил в 1902 г. первую модель атома: положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Однако эта модель не устояла перед опытной проверкой.

В 1908 г. Э. Марсден и X. Гейгер, сотрудники английского физика Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие металлические пластинки и обнаружили, что почти все частицы проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. Э. Резерфорд (1871-1937) пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятствие. которое представляет собой положительно заряженное ядро атома, размер которого (10^-12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10^-8 см), но в нем почти полностью сосредоточена масса атома.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время движущиеся электроны, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли всю свою энергию и упали бы на ядро.

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Однако атомы излучают свет только определенных частот. Планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой, и основанных на принципе квантования:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных орбит электронов, двигаясь по которым, электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее распространение теории на многоэлектронные атомы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Длина волны движущегося электрона равна примерно 10^-8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Но движение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите, лишь, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравнению с размерами системы.

Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других — меньше.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений.