Развитие концепции атомизма

Представление об атомах как неделимых частицах вещества возникло в глубокой древности. Атомистическое учение появилось в античной Греции в V в. до нашей эры в рамках натурфилософии и было представлено выдающимися философами древности – Эмпедоклом, Демокритом, Эпикуром, учившими, что мир состоит из пустоты и атомов, а различные комбинации атомов образуют видимые тела. Эта гипотеза являлась лишь гениальной догадкой, но, тем не менее, она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания. В средние века учение об атомах, будучи материалистическим учением, не получило признания. Лишь к началу XVIII в., в естествознании и, прежде всего, в физике и химии, возвращаются к идеям атомистики для объяснения эмпирических законов идеальных газов и теплового расширения тел. В работах выдающегося французского химика А. Лавуазье (1743–1794), великого русского ученого М.В. Ломоносова (1711–1765) и английского химика и физика Д. Дальтона (1766–1844) была доказана реальность атомистического подхода к объяснению естественнонаучных законов. Однако в это время вопрос о внутреннем строении атома даже не возникал, так как атомы считались неделимыми. Вплоть до конца прошлого столетия большинство ученых рассматривало атом как последнюю неделимую частицу вещества, но крупнейшие открытия в физике привели к отказу от такой точки зрения.

Открытие Д.И. Менделеевым (1834–1907) в 1869 г. периодического законаподтолкнуло ученых к выводу о существовании более мелких частиц, свойства которых обусловливают свойства атомов, в том числе и периодический закон их взаимосвязи и явилось одним из руководящих положений, использованных при создании теории строения атома. Среди открытий, показавших сложность строения атома, следует отметить, во-первых, обнаружение явлений естественной радиоактивности таких химических элементов, как радий и уран. Оказалось, что эти элементы в естественных условиях испускают специфические, радиоактивные лучи и в результате превращаются в другие более легкие химические элементы. Вслед за радиоактивностью последовало открытие электрона в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном (1856–1940), показавшее, что существуют частицы еще более мелкие, чем атомы, и, по-видимому, являющиеся составной частью атома. (По современным воззрениям электрон обладает наименьшим электрическим зарядом, т.е. является мельчайшей частицей электричества).

Изучение строения атома практически началось в 1897–1898 гг., после того, как были определены величина и масса электрона. Томсон предложил первую модель строения атома, согласно которой атом – это сгусток материи, обладающий положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что в целом атом является электронейтральным. В этой модели предполагалось, что под влияние внешних воздействий электроны могли совершать колебания, т.е. двигаться ускоренно. Казалось бы, это позволяло ответить на вопросы об излучении света атомами вещества и гамма-лучей атомами радиоактивного веществ. Слабым местом модели атома Томсона было то, что в ней не предполагалось положительно заряженных частиц внутри атома и, следовательно, открытым оставался вопрос об испускании положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами. Модель Томсона не давала ответа и на ряд других вопросов.

Положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом (1871–1937) при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах. Альфа-частицы, выбрасываемые атомами радиоактивных элементов, представляют собой положительно заряженные ионы гелия, способные ионизировать воздух. При движении с огромной скоростью порядка 20000 км/с альфа-частицы выбивают из молекул, входящих в состав воздуха, электроны, которые присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Молекулы, потерявшие электроны, становятся положительно заряженными. Способность альфа-частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Ч. Вильсоном, чтобы сделать видимым пути движения отдельных частиц и сфотографировать их. (Впоследствии прибор для фотографирования альфа-частиц был назван камерой Вильсона). Тщательное исследование траекторий альфа-частиц обнаружило их рассеяние – отклонение от их первоначального пути. Причем, некоторые частицы отбрасываются назад, так как если бы на их пути бала частица, с массой того же порядка и положительным зарядом.

Исходя из этих данных, Резерфорд предложил планетарную модель строения атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны, суммарный заряд которых уравновешивает заряд ядра. Так, если масса электрона ничтожно мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Размеры ядра и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов. Поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атом без заметных отклонений и только в тех случаях, когда альфа-частица близко подходит к ядру, она отталкивается от него, резко меняя свою первоначальную траекторию. Таким образом, рассеяние альфа-частиц положило начало развитию представлений об атомном ядре.