Развитие атомного учения в современной физике

Основным объектом исследования микрофизики оказался атом, его структура. Работы по изучению строения атома с конца XIX в. велись в следующих направлениях: разработка модели атома, доказательство изменяемости атома, доказательство существования разновидностей атома у химических элементов.

В конце XIX в. в физике сформировалось представление о постоянстве строения атома, согласно которому:

· атом является элементарной неделимой единицей материи;

· атомы одного элемента неизменны;

· существует столько разновидностей атомов, различающихся весом, сколько известно элементов;

· взаимный переход атомов одного элемента в атомы другого невозможен.

Доказательство существования электрона разрушило эти представления об атоме. Важнейшим направлением исследований физики становится выяснение структуры атомов. Электронные модели атома стали появляться одна за другой. Первые модели были результатом теоретических построений и содержали лишь элементы действительности (модель Кельвина (1902), Ф. Ленарда (1903), Г. Нагаоки (1904), Дж. Томсона (1904)).

Изучение радиоактивности и действия α-частиц в ходе радиоактивного распада позволило Э. Резерфорду в 1911 г. высказать идею о существовании в атоме массивного, но меньшего по размеру, чем сам атом (порядка 10^{-13 см), положительно заря­женного тела – ядра, вокруг которого вращаются легкие отрицательно зараженные электроны. Общий заряд атома равен нулю. Э. Резерфорд полагал, что число электронов в атоме должно быть равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Серьезным недостатком планетарной модели строения атома Э. Резерфорда было то, что она не объясняла закономерностей излучения атомов.}

Более совершенную квантовую модель предложил в 1913 г. датский физик Н. Бор, взявший за основу модель атома Э. Резерфорда и дополнивший ее новыми гипотезами. Эти гипотезы известны как постулаты Н. Бора: 1) каждый электрон в атоме может совершать устойчивое орбитальное движение по определенной орбите, не испуская и не поглощая электромагнитного излучения; 2) атом только в том случае испускает или поглощает энергию, если его электроны переходят с одной стационарной орбиты на другую.

На протяжении почти двух десятилетий в физике господствова­ла протонно-электронная модель атома Э. Резерфорда в интерпретации Н. Бора. После открытия Дж. Чедвиком в 1932 г. нейтрона (нейтрально заряженной и имеющей вес частицы, находящейся вместе с протоном в ядре атома) возникли современные представления о протоно-нейтронной модели ядра атома.

Итак, следствием фундаментальных физических откры­тий конца XIX в. представления об атоме как неделимой и «бесструктурной» частице уступили место новому видению ато­ма как сложной системе частиц, занимающей промежуточное положение в структурной иерархии микромира: элементарные частицы < ядра атомов < атомы < молекулы.

Следующим важным этапом в развитии современной физики стало открытие французского физика Жолио Кюри (1900 – 1958), который нашел, что почти все атомы, подвергнутые бомбар­дировке нейтронами, сами становятся радиоактивными. Это открытие позволило объяснить источник солнечной энергии, а также каким образом возникли элементы. Американский физик русского происхождения Г.А. Гамов (1904 – 1968) и немецкий физик Бете (р. 1906) установили, что источником большей части энергии Вселенной служат ядерные процессы, в результате которых четыре атома водорода, соединяясь, образуют один атом гелия и так далее.

В 1937 году немецкий радиохимик О. Ган (Хан) (1879 – 1968) и немецкий физик и химик Ф. Штрассман (1902 – 1980) открыли способность атомов к делению их ядер. Тяжелые ядра могут содержать значительно большее число нейтронов по отношению к числу протонов. Когда атом урана расщепляется, он по необходи­мости освобождает несколько нейтронов. Причем процесс расщепления ядер имеет массовый характер (цепные реакции). Если дать этому процессу возможность продолжаться бесконечно, то получится взрыв; если управлять им, то результатом его явится вырабатывающий энергию ядерный реактор. Работы Игоря Васильевича Курчатова (1902/03 – 1960) и его последователей показали, что ядерная энергия может получаться не только путем деления ядра атома, но и путем синтеза. Это открытие было использовано при создании водородной бомбы.

Таким образом, было установлено, что явление естественной радиоактивности состоит в способности ядер некоторых атомов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием определенных частиц, а также в способности делиться на ядра более легких химических элементов, испуская при этом ядра атомов гелия, электроны и электромагнитное излучение.

В заключение этого раздела сформулируем основные положения современной атомистики:

1. Атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического эле­мента (размер атомов – от
10^-10 до 10^{-9 м, масса – 10-27} – 10^{-25 кг);}

2. У каждого элемента существуют разновидности ато­мов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированные);

3. Атомы одного элемента могут превращаться в ато­мы другого; эти процессы осуществляются либо самопро­извольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакции).

Дата добавления: 2014-01-07