Главная >> Новые научные открытия на рубеже XIX и XX вв. >> Создание модели и первой теории строения атома
Создание модели и первой теории строения атома
Создание модели и первой теории строения атома

Планетарная модель атома Э. Резерфорда

Теория атома водорода Н. Бора

Даже основы теоретической квантовой физики нелегко объяснить в рамках привычного повседневного языка. Понятия и концепции, которыми мы пользуемся, считая их очевидными, складывались в течение тысячелетий, они сформированы различными социальными отношениями. В силу давнего происхождения некоторые из них приобрели статус абсолютной истины. Не удивительно, что прорыв в области физики столкнулся с целым рядом гносеологических и философских вопросов, проблем и противоречий. Пространство однородно, время течёт непрерывно, необратимо и равномерно, масса тела неизменна. На том стояла наука многие тысячелетия. Отказаться от этих представлений сразу было невозможно. К тому же классическая физика распространяла идею непрерывности пространства и времени (материи) на все процессы во Вселенной.

От концепции непрерывности материи пришлось отказаться первой. После того, как представление об атоме приобрело конкретный смысл, дискретность всей известной материи стала основной концепцией в строении вещества. Но при этом принципы механики остались теми же, что и ранее: теперь вещество рассматривали как сложную систему, состоящую из совокупности малых систем. Концепция о дискретности вещества была перенесена и на электричество: все измеренные заряды оказывались кратными заряду электрона, что было подтверждено классическими опытами Р. Милликена и А.Ф. Иоффе. Концепция дискретности процессов оказалась максимально полезной при описании законов теплового излучения. Были предложены разные частные законы, описывающие свойства и закономерности теплового излучения в разных частотных интервалах, но ни один из предложенных законов не описывал наблюдающиеся явления во всем диапазоне частот от нуля до бесконечности. Эту трудность преодолел М. Планк, предложивший допустить, что обмен энергией между веществом и излучением также не непрерывен, а происходит дискретно. М. Планк ввёл понятие порции света (кванта света - фотона), энергия которого связана с частотой и возрастает по мере увеличения частоты. Именно это предположение о дискретности процесса поглощения и испускания энергии нагретыми телами стало началом всей квантовой физики.

Следующий серьёзный шаг - использование гипотезы для объяснения уже наблюдающихся явлений: помимо теплового излучения предположение М. Планка (гипотеза Планка) позволило объяснить экспериментально внешний фотоэффект и давление света.

Концепция дискретности находила всё больше подтверждений. Дискретное строение атома. Уже доказано, что в атоме содержатся и положительно и отрицательно заряженные частицы. Вопрос в том, какие это частицы и как они расположены друг относительно друга. Одна из первых моделей получила название «пудинговая модель» Томсона. В объёме, равномерно заполненном положительно заряженным веществом, находятся «маленькие» отрицательно заряженные частицы, примерно как в тесте пудинга вкраплены изюминки. Возможно и наоборот, вещество атома заряжено отрицательно, а вкрапления - это положительно заряженные «изюминки». В предложенной модели явно прослеживается концепция непрерывности вещества, от которой отказаться трудно и не понятно, стоит ли от неё отказываться, ведь до сих пор достаточно было усложнить уже имеющуюся теорию, чтобы объяснить в её рамках новые факты и явления.

Важным шагом вперёд стала модель Э. Резерфорда. Основная идея учёного -заряженные частицы в атоме распределены неравномерно: в центре расположена положительно заряженная частица, занимающая крайне мало места, а уже вокруг неё находятся отрицательно заряженные частицы, наиболее вероятно, электроны. Электроны не неподвижны, а вращаются вокруг ядра, как планеты нашей системы вращаются вокруг Солнца. Модель была сразу названа планетарной моделью атома Резерфорда. Такое распределение частиц в атоме подтверждалось экспериментально и объясняло многие другие наблюдения, но вопросов было больше, чем ответов. Один из вопросов был принципиальным: электроны, вращаясь вокруг ядра, затрачивают на движение энергию, тогда они должны были бы уменьшать свою энергию, излучая её, а, значит, должны рано или поздно свалиться на ядро. Этого не происходит. Почему!?

Дальнейший шаг был сделан Н. Бором, который попытался применить понятие кванта в модели атома. Н. Бор предположил, что: 1) электроны могут перемещаться только по строго определённым орбитам, радиусы которых кратны целым числам; 2) при перемещении по одной и той же орбите электрон не излучает и не поглощает энергию; 3) при переходе с одной орбиты на другую электрон поглощает (при переходе на более высокие, т.е. отдалённые от ядра орбиты) или излучает (приближаясь к ядру, т.е. перескакивая на более близкие к ядру орбиты) энергию, но в виде порций, квантов энергии. Эти теоретические предположения хорошо описывали наблюдающееся поведение электронов в атоме, но не являлись полным объяснением строения атома. Предположения Н. Бора получили название постулатов Бора. На современном этапе развития квантовой физики необходимость постулировать поведение электронов в атоме отпала, но название сохранилось. Постулаты Бора объясняли и наблюдающийся дискретный спектр излучения атомов. В первом приближении Н. Бор рассматривал орбиты электронов как окружности, впоследствии Зоммерфельд вывел уравнение для эллиптической формы орбит.

Идеально совпадая с экспериментом для водорода, в атоме которого содержится только один электрон, теория строения атома расходилась с эмпирическими данными даже для гелия, в атоме которого содержалось уже два электрона. Физики снова вернулись к теоретическому описанию явления. Это направление теоретических исследований возглавляли Э. Шрёдингер, Л. де Бройль, В. Гейзенберг. Их выводы оказывались всё дальше и дальше от классических представлений.

История квантовой, атомной и ядерной физики - это единая история создания нового знания. В начале XX в. не было такого деления. Эти направления определились гораздо позже. А в начале пути они развивались как одно направление, дополняя и помогая друг другу. Так, при решении задачи о строении атома теоретики пришли к необходимости полностью отказаться от привычных представлений, делящих свойства известных форм материи на волновые и корпускулярные. Основная идея волновой механики (так вначале называлась квантовая физика) заключалась в том, что вещество, как и поле (свет) объединяет в себе свойства волны и частицы, являясь одновременно и тем и другим. Идея Л.. де Бройля получила полное воплощение в последующих работах экспериментаторов и теоретиков. Для волновой механики модель атома Резерфорда-Бора была не более чем моделью, некоторым приближением, упрощением реальных свойств атома. Модель Резерфорда-Бора была лишь толчком к разработке теории строения атома, а в дальнейшем и строения ядра атома. Вопрос, решение которого было первоочередным, в том, что атом лишь слабо напоминает планетную систему, ядро не похоже на Солнце, а электроны не обладают свойствами планет. Даже целые числа, введённые Н. Бором для описания свойств электронов в атоме (квантовые числа), обозначают не орбиты электронов, а уровни и подуровни энергий электронов. Более того, форма орбиты, как и траектория движения электрона не может быть определена и описана в привычных терминах. Можно говорить лишь о вероятности существования электрона в том или ином энергетическом состоянии в какой-то интервал (но не момент) времени, в какой-то области (но не в точке) пространства. Эта вероятность пропорциональна интенсивности волны электрона. В. Гейзенберг сформулировал принципиальное ограничение для динамических переменных, используемых для описания микрообъектов (сначала электрона). Потом это положение было распространено на все микрообъект и получило название принцип неопределённостей или соотношение неопределённостей Гейзенберга. Суть его в том, что динамические переменные, описывающие микрочастицу, одновременно можно измерить только до определённого значения, но не точно, т.е. измерить с неопределённостью. Это не является результатом того, что экспериментатор обладает несовершенной техникой. Это ограничение имеет принципиальный характер и является неотъемлемым свойством всех микрообъектов. Чем точнее измеряется одна из переменных, тем с меньшей точностью можно узнать значение другой, сопряжённой с ней переменной величины.

Соотношение неопределённостей логично дополняло вероятностный подход к описанию изучаемых объектов, хотя и вызывало вопросы, в том числе, не приводит ли подобный вероятностный подход к отказу от причинно-следственной связи явлений.

Из-за невозможности точного определения траектории и других характеристик микрообъекта следовал принцип тождественной неразличимости микрочастиц. Если бы частицы можно было отличать друг от друга («пометить»), то тогда и их траекторию можно было бы отследить.

Энергетическое состояние электрона должно характеризоваться не только его орбитой, но и формой и структурой его орбиты, ориентацией орбиты в пространстве, характером движения электрона по этой орбите, а также собственными свойствами электрона, не связанными с его существованием в атоме.

Привычные понятия тормозили процесс понимания свойств микрообъектов. Это нашло отражение даже в названиях. Во-первых, многие названия переменных (скорость, импульс, энергия, время) «перекочевали» в квантовую физику, но теперь в них вкладывают другое понимание. Во-вторых, пришлось придумывать новые названия для новых понятий. Например, электрон обладает своим собственным орбитальным моментом, а не только орбитальным моментом вращения вокруг ядра. Естественным было первое представление о собственном орбитальном моменте электрона, как о вращении его вокруг собственной оси, подобно вращающейся вокруг собственной оси планете (или веретену). От метафизического представления быстро отказались. Собственный орбитальный момент характеризуется «спином» (тоже квантовое число). Слово «спин» происходит от английского «spin», что значит «веретено». Проблема с поиском подходящих названий возникала и в дальнейшем. Изучая структуру элементарных частиц, ввели название структурного элемента «кварк». Слово заимствовано из современной научно-фантастической повести и ничего не значит в повседневной жизни. А вот свойства самих кварков пришлось описывать привычными словами, утратившими здесь свой изначальный смысл: странность, цвет, очарованность.

Непривычным, а значит, на первых порах непонятным большинству явилась и необходимость описывать поведение электрона и других микрочастиц не в трёхмерном, а в шестимерном пространстве, хотя математически необходимость этого была очевидна из соотношения неопределённостей Гейзенберга. Да и применение теории комплексных чисел для описания реально существующих объектов тоже было впервые.

Уравнения волновой механики позволили более полно понять сущность взаимодействия электронов и ядра и составных частей самого ядра.

В 1931 г. во время бомбардировки бериллия альфа-частицами было обнаружено новое мощное излучение. Оно было столь интенсивным, что приводило не только к ионизации атома - выбыванию из него электронов, но к разрушению самого ядра. Британский учёный Дж. Чедвик, исследуя это излучение, открыл новую частицу, которая обладала массой протона, но не обладала электрическим зарядом. Был открыт нейтрон. Это открытие завершило модель атома Резерфорда-Бора. Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг описали модель ядра, в состав которого входили протоны и нейтроны. Это дало возможность объяснить существование изотопов - ядер элементов с одинаковыми зарядами, но разной массой. Протоны и нейтроны - основные ядерные частицы. Они получили название нуклоны (nuclear - ядро).

 
Интересная статья? Поделись ей с другими:

Кто на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 160 гостей 

Поиск по сайту

Новое о "Челюскин"

О. Шмидт – Арктика.

Полярный поход парохода "Челюскин" 1933/34 года привлек благодаря своей особой судьбе внимание многих миллионов. Эта...

О. Шмидт - Советская работа в Арктике.

Пользуясь лучшими достижениями международной науки, советские исследователи совершенно по-новому поставили задачу овладения Арктикой. Они ввели...

О. Шмидт - О «Челюскин».

В 1933 году было решено повторить поход "Сибирякова" - вновь выйти для сквозного прохода Северным...

О. Шмидт - Состав экспедиции и команды парохода «Челюскин».

Подбор людей - важнейшая часть организации любого дела. Особенно это относится к экспедициям, в которых...

О. Шмидт - Переход. Ленинград - Копенгаген – Мурманск.

Переход до Мурманска конечно не является экспедиционным плаванием, но для нас он имел тогда существенное...

О. Шмидт - Мурманск - мыс Челюскин.

В этой статье мы не будем касаться подробностей плавания, которые с навигационной стороны освещены в...

О. Шмидт - Море Лаптевых и Восточносибирское.

Первая половина нашего пути заканчивалась у мыса Челюскина. Она прошла очень трудно. Что нас ждет впереди,...

О. Шмидт - Колючинская губа.

От мыса Северного "Челюскин" шел уже девяти-десятибалльным льдом, т.е. льдом, покрывавшим от 90 до 100...

О. Шмидт - Берингов пролив.

Дрейф кружил наш пароход. Несколько раз мы проносились мимо мыса Сердце-Камень и снова отодвигались назад...

О. Шмидт - Зимовка.

"Литке" ушел. И все же мы еще не знали наверное, зазимуем мы или нет. Ветер...

О. Шмидт - На льдине.

13 февраля сильное сжатие прошло через место стоянки парохода, и "Челюскин" затонул на 68° северной...

О. Шмидт – Итоги экспедиции «Челюскин».

"Челюскин" не вышел в Тихий океан, а погиб, раздавленный льдами. Тем не менее проход до...

Новое по мировой истории

Масленица - история и традиции

Масленица - история и традиции

Масленица – один из немногих языческих праздников сохранившихся после принятия...

Разрушительные стихии над Европой в начале XXI века

Разрушительные стихии над Европой в начале XXI века

Ранее считалось, что стихийные бедствия, происходящие на земле, имеют исключительно...

Иштван I

Иштван I

В 973 году правитель Венгрии, князь Геза, отправил к германскому...

Великий поход Мао Цзэдуна

Льстивая пропаганда не скупилась для своего вождя на хвалебные эпитеты:...

Местное управление в России XVII века

Местное управление в России XVII века

По сравнению с центральным местное управление имело более сложную структуру....

Приказы в России XVII века

Приказы в России XVII века

Центральное управление осуществляли приказы (общегосударственные, дворцовые,...

Состав Думы в России XVII века

Состав Думы в России XVII века

Члены Думы, являясь советниками царя по вопросам законодательства, и сами...

Боярская дума и характер законотворческой деятельности в России XVII века…

Боярская дума и характер законотворческой деятельности в России XVII века

В правление царя Алексея Михайловича система государственного управления, формировавшаяся с...

Приказная система управления в России XVII века в оценке историков

Приказная система управления в России XVII века в оценке историков

Оценка историками сложившейся к концу XVII в. системы управления, прежде...

Преемственность двух эпох

Преемственность двух эпох

Начиная с работ Г.Ф. Миллера, в исторической науке утвердился взгляд...

  • Cheluskin_otplytie_iz_Leningrada.jpg
  • fig_1.jpg
  • Stroitelstvo_Cheliuskin(Lena).jpg
  • Cheluskin_vo_ldah_2.jpg
  • esche_Lena.jpg
  • 135.jpg
  • Cheluskin_vo_ldah_1.jpg
  • fig_2.jpg
  • photo.jpg
  • lager_SHmidta.jpg