Развитие концепции атомизма

Принципы организации микромира

Понятия и принципы классической физики оказались неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи или микрообъектов, таких как электроны, протоны, нейтроны, атомы и подобные им объекты, которые образуют невидимый нами микромир, и поэтому свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромир а и далекого мегамира (планеты, звезды, кометы, квазары и другие небесные тела).

Открытие сложного строения атома и попытки создания адекватных моделей для его описания привели к необходимости отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями окружающего нас макромира. Поиски новых понятий и методов описания микрообъектов способствовали возникновению квантовой механики, созданной трудами многих выдающихся ученых, прежде всего – Л. де Бройля (1892–1987), Э. Шредингера (1887–1961), В. Гейзенберга (1901–1976), М. Борна (1882–1970).

Квантовая механика является областью физики, возникшей в связи с необходимостью разработки нового подхода к явлениям микромира, необъяснимым с позиций механики Ньютона. В основе квантовой механики лежат представления Планка, согласно которым излучение энергии веществом происходит малыми порциями – квантами с энергией, пропорциональной частоте испускаемого излучения, гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц вещества, соотношение неопределенностей Гейзенберга. В квантовой механике вводится понятие волновой функции Y(x,y,z,t), определяющей вероятность нахождения микрочастицы в данном месте пространства в данное время. Основным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера, определяющее вид функции Y(x,y,z,t).

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 закона подтолкнуло 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.

3.8.2. Теория атома Бора – мост от классики к современности

Планетарная Модель атома Резерфорда объясняла опыты по рассеянию альфа-частиц, но испытывала принципиальные трудности при обосновании устойчивости атома. Согласно принципам классической механики Ньютона, движение по окружности даже с постоянной по величине скоростью обладает ускорением, связанным с изменением направления вектора скорости. Ускоренно движущийся заряд должен, согласно классической электродинамике, непрерывно излучать электромагнитные волны. Процесс излучения сопровождается потерей энергии, так что электрон должен двигаться по спирали и в конечном счете упасть на ядро. Однако опыт показывает, что атомы – очень устойчивые образования. Отсюда вытекает, что модель Резерфорда в сочетании с классической механикой и электродинамикой оказалась не способной объяснить устойчивость атома, а также его дискретный характер атомных спектров излучения.

Первая попытка построить качественно новую квантовую теорию атома была предпринята в 1913 г. датским физиком Н. Бором (1885–1962).

В основу своей теории атома Бор положил следующие постулаты.

Первый постулат Бора утверждает, что в атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам, не смотря на ускоренный характер движения, не сопровождается излучением электромагнитных волн.

Второй постулат Бора утверждает, что излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии  hn  при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается квантовый скачок электрона:

hn = E_n – E_m,,

где  E_n  и  E_m  – соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения). Набор возможных дискретных частот n определяется соотношением

n = (E_n – E_m)/ h

и отвечает линейчатому спектру атома. Теория Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый спектр водорода. Успехи теории атома водорода были получены ценой отказа от фундаментальных положений классической механики, которая, на протяжении более 200 лет, оставалась безусловно справедливой.

Поэтому в первое время многие ученые считали, что новые революционные открытия не только подрывают материалистический взгляд на природу, но и отрицают объективное содержание физической науки. Все это породило кризис в физике, выход из которого следовало искать в переходе от старых понятий и принципов классической физики, оказавшихся неадекватными для изучения свойств материи на атомном уровне, к новым теориям и принципам, которые бы верно отражали эти свойства и закономерности.

Такой новой фундаментальной наукой стала квантовая механика, которая ввела совершенно неизвестные для классической физики принципы дуализма волна – частица, неопределенности, дополнительности, а вместо универсальных законов классической физики – статистические законы и вероятностные методы исследования.

Дата добавления: 2014-11-16