Історія розвитку уявлень про будову атома

37. Історія розвитку уявлень про будову атома

Атома будова, розділ фізики, що вивчає внутрішній устрій атомів. Атоми, спочатку вважалися неподільними, є складними системами. Вони мають масивне ядро, що складається з протонів і нейтронів, навколо якого в порожньому просторі рухаються електрони. Атоми дуже малі - їх розміри близько 10 ^-10 -10 ^-9 м, а розміри ядра ще приблизно в 100 000 разів менше (10 ^-15 -10 ^-14 м). Тому атоми можна «побачити» тільки непрямим шляхом, на зображенні з дуже великим збільшенням (наприклад, за допомогою автоелектронного проектора). Але і в цьому випадку атоми не вдається розглянути в деталях. Наші знання про їх внутрішній устрій засновані на величезній кількості експериментальних даних, які побічно, але переконливо свідчать на користь сказаного вище.

Уявлення про будову атома радикально змінилися в 20 в. під впливом нових теоретичних ідей і експериментальних даних. В описі внутрішньої будови атомного ядра досі залишаються невирішені питання, які служать предметом інтенсивних досліджень. У наступних розділах викладається історія розвитку уявлень про будову атома як цілого; будовою ядра присвячена окрема стаття (АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ), оскільки ці уявлення розвивалися в значній мірі незалежно. Енергія, необхідна для дослідження зовнішніх оболонок атома, відносно невелика, порядку теплової або хімічної енергії. З цієї причини електрони були експериментально виявлені задовго до відкриття ядра.

Ядро ж при його малих розмірах дуже сильно пов'язано, так що зруйнувати і досліджувати його можна тільки за допомогою сил, в мільйони разів більше інтенсивних, ніж сили, що діють між атомами. Швидкий прогрес в розумінні внутрішньої структури ядра почався лише з появою прискорювачів частинок. Саме це величезна різниця розмірів і енергії зв'язку дозволяє розглядати структуру атома в цілому окремо від структури ядра.

Щоб скласти уявлення про розміри атома і незаповненості займаного їм простору, розглянемо атоми, складові краплю води діаметром 1 мм. Якщо подумки збільшити цю краплю до розмірів Землі, то атоми водню і кисню, що входять в молекулу води, будуть мати в поперечнику 1-2 м. Основна ж частина маси кожного атома зосереджена в його ядрі, діаметр якого при цьому склав всього 0,01 мм .

АТОМ ЯК ЦІЛЕ

Історію виникнення найзагальніших уявлень про атом зазвичай ведуть з часів грецького філософа Демокріта (бл. 460 - бл. 370 до н. Е.), Багато розмірковує про найменших частинках, на які можна було б поділити будь-яка речовина. Групу грецьких філософів, які дотримувалися того погляду, що існують подібні крихітні неподільні частки, називали атомістами. Грецький філософ Епікур (ок. 342-270 до н.е.) прийняв атомну теорію, і в першому столітті до н.е. один з його послідовників, римський поет і філософ Лукрецій Кар, виклав вчення Епікура в поемі «Про природу речей», завдяки якій воно і збереглося для наступних поколінь. Аристотель (384-322 до н.е.), один з найбільших вчених давнини, атомістичну теорію не приймав, і його погляди на філософію і науку переважали згодом в середньовічному мисленні. Атомістичної теорії як би не існувало до самого кінця епохи Відродження, коли на зміну чисто умоглядним філософським міркуванням прийшов експеримент.

В епоху Відродження почалися систематичні дослідження в областях, що іменуються нині хімією і фізикою, що принесли з собою нові здогади про природу «неподільних частинок». Р.Бойль (1627-1691) і І. Ньютон (1643-1727) виходили в своїх міркуваннях з уявлення про існування неподільних частинок речовини. Однак ні Бойлю, ні Ньютону не треба було детальної атомістичної теорії для пояснення цікавили їх явищ, і результати проведених ними експериментів не сказали нічого нового про властивості «атомів».

СТРУКТУРА атома

Закон Дальтона. Першим дійсно науковим обгрунтуванням атомістичної теорії, переконливо продемонстрував раціональність і простоту гіпотези про те, що всякий хімічний елемент складається з найдрібніших частинок, з'явилася робота англійського шкільного вчителя математики Дж.Дальтона (1766-1844), стаття якого, присвячена цій проблемі, з'явилася в 1803 .

Дальтон вивчав властивості газів, зокрема відносини обсягів газів, що вступали в реакцію утворення хімічної сполуки, наприклад, при утворенні води з водню і кисню. Він встановив, що відносини прореагировавших кількостей водню і кисню завжди є відносини невеликих цілих чисел. Так, при утворенні води (H ₂ O) в реакцію з 16 г кисню вступають 2,016 г газоподібного водню, а при утворенні пероксиду водню (H ₂ O ₂₎ з 2,016 г водню з'єднуються 32 г газоподібного кисню. Маси кисню, що реагують з однією і тією ж масою водню при утворенні цих двох з'єднань, співвідносяться між собою як невеликі числа:

16:32 = 1: 2.

На основі подібних результатів Дальтон сформулював свій «закон кратних відносин». Згідно з цим законом, якщо два елементи поєднуються в різних пропорціях, утворюючи різні сполуки, то маси одного з елементів, що з'єднуються з одним і тим же кількістю другого елементу, співвідносяться як невеликі цілі числа. За другим законом Дальтона, «закону постійних стосунків», в будь-якому хімічному з'єднанні співвідношення мас входять до нього елементів завжди одне і те ж. Велика кількість експериментальних даних, що відносяться не тільки до газам, але також і до рідин і твердих сполук, зібрав Й. Берцеліусом (1779-1848), який провів точні вимірювання реагують мас елементів для багатьох сполук. Його дані підтвердили сформульовані Дальтоном закони і переконливо продемонстрували наявність у кожного елемента найменшої одиниці маси.

Атомні постулати Дальтона мали ту перевагу перед абстрактними міркуваннями давньогрецьких атомістів, що його закони дозволяли пояснити і пов'язати між собою результати реальних дослідів, а також передбачити результати нових експериментів. Він постулював, що 1) всі атоми одного і того ж елемента тотожні в усіх відношеннях, зокрема, однакові їх маси; 2) атоми різних елементів мають неоднакові властивості, зокрема, неоднакові їх маси; 3) в з'єднання, на відміну від елемента, входить певна ціле число атомів кожного зі складових його елементів; 4) в хімічних реакціях може відбуватися перерозподіл атомів, але, жоден атом не руйнується і створюється знову. (Насправді, як з'ясувалося на початку 20 ст., Ці постулати не цілком строго виконуються, тому що атоми одного і того ж елемента можуть мати різні маси, наприклад водень має три такі різновиди, звані ізотопами; крім того, атоми можуть зазнавати радіоактивні перетворення і навіть повністю зруйнуватися, але не в хімічних реакціях, що розглядалися Дальтоном.) Заснована на цих чотирьох постулатах атомна теорія Дальтона давала найпростіше пояснення законів постійних і кратних відносин.

Хоча закони Дальтона лежать в основі всієї хімії, ними не визначаються фактичні розміри і маси атомів. Вони нічого не говорять про число атомів, що містяться в певній масі елемента або сполуки. Молекули простих речовин занадто малі, щоб їх можна було зважити окремо, тому для визначення мас атомів і молекул доводиться вдаватися до непрямих методів.

Число Авогадро. У 1811 А.Авогадро (1776-1856) висунув гіпотезу, яка значно спрощувала аналіз того, як з елементів утворюються сполуки, і встановлювала відмінність між атомами і молекулами. Його думка полягала в тому, що рівні об'єми газів, що знаходяться при однакових температурі і тиску, містять одне і те ж число молекул. В принципі натяк на це можна знайти в більш ранній роботі Ж.Гей-Люссака (1778-1850), який встановив, що відношення обсягів газоподібних елементів, що вступають в хімічну реакцію, виражається цілими числами, хоча і відмінними від відносин мас, отриманих Дальтоном. Наприклад, 2 л газоподібного водню (молекули H _2), з'єднуючись з 1 л газоподібного кисню (молекули O _2), утворюють 1 л парів води (молекули H ₂ O).

Істинне число молекул в даному обсязі газу надзвичайно велике, і до 1865 його не вдавалося визначити з прийнятною точністю. Однак вже за часів Авогадро проводилися грубі оцінки на основі кінетичної теорії газів. Дуже зручною одиницею виміру кількості речовини є моль, тобто кількість речовини, в якому стільки ж молекул, скільки атомів в 0,012 кг найпоширенішого ізотопу вуглецю ¹² С. Один моль ідеального газу при нормальних умовах (н.у.), тобто стандартних температурі та тиску, займає обсяг 22,4 л. Число Авогадро - це повне число молекул в одному молі речовини або в 22,4 л газу при н.у. Інші методи, такі, як рентгенографія, дають для числа Авогадро N ₀ точніші значення, ніж отримані на основі кінетичної теорії. Значення, прийняте в даний час, таке: 6,0221367Ч10 ²³ атомів (молекул) в одному молі. Отже, в 1 л повітря міститься приблизно 3Ч10 ²² молекул кисню, азоту та інших газів.

Важлива роль числа Авогадро для фізики атома пов'язана з тим, що воно дозволяє визначити масу і приблизні розміри атома або молекули. Оскільки маса 22,4 л газоподібного H ₂ становить 2,016Ч10 ^-3 кг, маса одного атома водню дорівнює 1,67Ч10 ^-27 кг. Якщо вважати, що в твердому тілі атоми розташовані впритул один до одного, то число Авогадро дозволить приблизно оцінити радіус r, скажімо, атомів алюмінію. Для алюмінію 1 моль дорівнює 0,027 кг, а щільність - 2,7Ч10 ³ кг / м ^3. При цьому маємо

звідки r »1,6Ч10 ^-10 м. Так перші оцінки числа Авогадро дали уявлення про атомні розмірах.

Відкриття електрона. Експериментальні дані, пов'язані з утворенням хімічних сполук, підтверджували існування «атомних» частинок і дозволили судити про малих розмірах і масі окремих атомів. Однак реальна структура атомів, в тому числі і існування ще менших частинок, складових атоми, залишалася неясною до відкриття Дж.Дж.Томсона електрона в 1897. До того часу атом вважався неподільним і відмінність в хімічних властивостях різних елементів не мало свого пояснення. Ще до відкриття Томсона був виконаний ряд цікавих експериментів, в яких інші дослідники вивчали електричний струм в скляних трубках, наповнених газом при низькому тиску. Такі трубки, названі трубками Гейсслер по імені німецького склодува Г.Гейсслера (1815-1879), який першим почав виготовляти їх, випускали яскраве світіння, будучи підключені до високовольтної обмотці індукційної котушки. Цими електричними розрядами зацікавився У.Крукс (1832-1919), який встановив, що характер розряду в трубці змінюється в залежності від тиску, і розряд повністю зникає при високому вакуумі. Пізніші дослідження Ж.Перрен (1870-1942) показали, що викликають світіння «катодні промені» представляють собою негативно заряджені частинки, які рухаються прямолінійно, але можуть відхилятися магнітним полем. Однак заряд і маса частинок залишалися невідомі і було неясно, чи однакові всі негативні частинки.

Величезною заслугою Томсона стало доказ того, що всі частинки, що утворюють катодні промені, тотожні один одному і входять до складу речовини.За допомогою розрядної трубки особливого типу, зображеної на рис. 1, Томсон виміряв швидкість і ставлення заряду до маси частинок катодних променів, пізніше названих електронами. Електрони вилітали з катода під дією високовольтного розряду в трубці. Через діафрагми D і E проходили тільки ті з них, що летіли вздовж осі трубки.

Мал. 1. СТАВЛЕННЯ ЗАРЯДУ До МАССЕ. Трубка, використана англійським фізиком Дж.Томсон для визначення ставлення заряду до маси для катодних променів. Ці досліди привели до відкриття електрона.

У нормальному режимі ці електрони потрапляли в центр люмінесцентного екрану. (Трубка Томсона була першою «електронно-променевою трубкою» з екраном, попередницею телевізійного кінескопа.) У трубці перебувала також пара пластин електричного конденсатора, які, якщо на них подавалося напруга, могли відхиляти електрони. Електрична сила F _E, діюча на заряд e з боку електричного поля E, дається виразом

F _E = eE.

Крім того, в тій же області трубки за допомогою пари котушок зі струмом могло створюватися магнітне поле, здатне відхиляти електрони в протилежному напрямку. Сила F _H, що діє з боку магнітного поля H, пропорційна напруженості поля, швидкості частинки v і її заряду e:

F _H = Hev.

Томсон відрегулював електричне та магнітне поля так, щоб повне відхилення електронів дорівнювало нулю, тобто електронний пучок повернувся в початкове положення. Оскільки в цьому випадку обидві сили F _E і F _H рівні, швидкість електронів дається виразом

v = E / H.

Томсон встановив, що ця швидкість залежить від напруги на трубці V і що кінетична енергія електронів mv ^2/2 прямо пропорційна цій напрузі, тобто mv ^2/2 = eV. (Звідси термін «електрон-вольт» для енергії, одержуваної часткою з зарядом, рівним заряду електрона при прискоренні різницею потенціалів 1 В.) Комбінуючи це рівняння з виразом для швидкості електрона, він знайшов відношення заряду до маси:

Ці досліди дозволили визначити ставлення e / m для електрона і дали наближене значення заряду e. Точно величина e була виміряна Р.Міллікеном, який в своїх дослідах домагався, щоб заряджені крапельки масла висіли в повітрі між пластинами конденсатора. В даний час характеристики електрона відомі з великою точністю:

Таким чином, маса електрона значно менше маси атома водню:

Експерименти Томсона показали, що електрони в електричних розрядах можуть виникати з будь-якої речовини. Оскільки всі електрони однакові, елементи повинні відрізнятися лише числом електронів. Крім того, мала величина маси електронів вказувала на те, що маса атома зосереджена не в них.

Мас-спектрограф Томсона. Незабаром і решту атома з позитивним зарядом вдалося спостерігати за допомогою тієї ж, хоча і модифікованої, розрядної трубки, що дозволила відкрити електрон. Уже перші експерименти з розрядними трубками показали, що якщо катод з отвором поміщається посередині трубки, то через «канал» в катоді проходять позитивно заряджені частинки, викликаючи світіння люмінесцентного екрану, розташованого в протилежному від анода кінці трубки. Ці позитивні «каналові промені» теж відхилялися магнітним полем, але в напрямку, протилежному електронам.

Томсон вирішив виміряти масу і заряд цих нових променів, також використовуючи для відхилення частинок електричне та магнітне поля. Його прилад для вивчення позитивних променів, «мас-спектрограф», схематично зображено на рис. 2. Він відрізняється від приладу, представленого на рис. 1, тим, що електричне і магнітне поля відхиляють частинки під прямим кутом один до одного, а тому «нульове» відхилення отримати не вдається. Позитивно заряджені атоми на шляху між анодом і катодом можуть втратити один або кілька електронів, і з цієї причини можуть прискорюватися до різних енергій. Атоми одного типу з однаковими зарядом і масою, але з деяким розкидом кінцевих швидкостей, викреслити на люмінесцентному екрані або фотопластинці криву лінію (відрізок параболи). При наявності атомів з різною масою важчі атоми (з тим же зарядом) будуть відхилятися від центральної осі слабкіше, ніж більш легкі. На рис. 3 приведена фотографія парабол, отриманих на мас-спектрографі Томсона. Найвужча парабола відповідає найважчому одноразово іонізованному атому (атому ртуті), у якого вибито один електрон. Дві найширші параболи відповідають водню, одна - атомарному H ^+, а інша - молекулярному H ₂ ^+, причому обидва одноразово ионизована. У деяких випадках губляться два, три і навіть чотири заряду, проте атомарний водень ніколи не спостерігався іонізованним більш ніж одноразово. Дана обставина була першою вказівкою на те, що в атомі водню тільки один електрон, тобто це найпростіший з атомів.

Мал. 2. МАС-спектрограф, що використовувався Томсоном для визначення відносних значень маси різних атомів по відхиленню позитивних променів в магнітному і електричному полях.

Мал. 3. МАС-СПЕКТРИ, фотознімки з розподілом іонізованих атомів п'яти речовин, отримані в мас-спектрографі. Чим більше маса атомів, тим менше відхилення.

Інші докази складної структури атома. У той самий час, коли Томсон та інші дослідники експериментували з катодними променями, відкриття рентгенівського випромінювання і радіоактивності принесло додаткові докази складної структури атома. У 1895 В.Рентген (1845-1923) випадково виявив таємниче випромінювання ( «Х-промені»), яке проникало крізь чорну папір, якої він обертав трубку Крукса при дослідженні зеленої люминесцирующей області електричного розряду. Х-промені викликали світіння віддаленого екрану, покритого кристалічним платіноціанідом барію. Рентген з'ясував, що різні речовини різної товщини, введені між екраном і трубкою, послаблюють світіння, але не гасять його повністю. Це свідчило про надзвичайно високу проникаючу здатність Х-променів. Рентген встановив також, що ці промені поширюються прямолінійно і не відхиляються під дією електричних і магнітних полів. Виникнення такого невидимого проникаючого випромінювання при бомбардуванні електронами різних матеріалів було чимось абсолютно новим. Було відомо, що видиме світло від трубок Гейсслер складається з окремих «спектральних ліній» з певними довжинами хвиль і, отже, пов'язаний з «коливаннями» атомів, що мають дискретні частоти. Істотна особливість нового випромінювання, що вирізняла його від оптичних спектрів, крім високої проникаючої здатності, полягала в тому, що оптичні спектри елементів з послідовно зростаючим числом електронів повністю відрізнялися один від одного, тоді як спектри X-променів дуже незначно змінювалися від елемента до елементу.

Ще одним відкриттям, що мають відношення до будови атома, було те, що атоми деяких елементів можуть спонтанно випускати випромінювання. Це явище було виявлено в 1896 А. Беккерелем (1852-1908). Беккерель відкрив радіоактивність, використовуючи солі урану в процесі вивчення люмінесценції солей під дією світла і її зв'язку з люмінесценцією скла в рентгенівській трубці. В одному з дослідів спостерігалося почорніння фотопластинки, загорнутої в чорний папір і перебувала близько уранової солі в повній темряві. Це випадкове відкриття стимулювало інтенсивні пошуки інших прикладів природної радіоактивності і постановку дослідів з визначення природи випускається випромінювання. У 1898 П.Кюрі (1859-1906) і М. Кюрі (1867-1934) виявили ще два радіоактивні елементи - полоній і радій. Е. Резерфорд (1871-1937), дослідивши проникаючу здатність випромінювання урану, показав, що є два типи випромінювань: дуже «м'яке» випромінювання, яке легко поглинається речовиною і яке Резерфорд назвав альфа-променями, і більш проникаюче випромінювання, яке він назвав бета -променями. Бета-промені виявилися тотожними звичайним електронам, або «катодних променів», що виникають в розрядних трубках. Альфа-промені, як з'ясувалося, мають такі ж заряд і масу, як і атоми гелію, позбавлені двох своїх електронів. Третій тип випромінювання, названий гамма-променями, виявився схожий з X -променями, але мав ще більшу проникаючу здатність.

Всі ці відкриття ясно показали, що атом не є «неподільним». Він не тільки складається з більш дрібних частин (електронів і важчих позитивних частинок), але ці та інші субчастіци, мабуть, мимоволі випускаються при радіоактивному розпаді важких елементів. Крім того, атоми не тільки випускають випромінювання у видимій області з дискретними частотами, але і можуть так збуджуватися, що починають випускати більш «жорстке» електромагнітне випромінювання, а саме X-промені.

Модель атома Томсона. Дж.Томсон, який зробив величезний внесок в експериментальне вивчення будови атома, прагнув знайти модель, яка дозволила б пояснити все його відомі властивості. Оскільки переважна частка маси атома зосереджена в його позитивно зарядженої частини, він прийняв, що атом є сферичне розподіл позитивного заряду радіусом приблизно 10 ^-10 м, а на його поверхні знаходяться електрони, утримувані пружними силами, що дозволяють їм коливатися (рис. 4). Сумарний негативний заряд електронів в точності компенсує позитивний заряд, так що атом електрично нейтральний. Електрони знаходяться на сфері, але можуть здійснювати прості гармонійні коливання щодо положення рівноваги. Такі коливання можуть відбуватися лише з певними частотами, яким відповідають вузькі спектральні лінії, що спостерігаються в газорозрядних трубках. Електрони можна досить легко вибити з їх позицій, в результаті чого виникають позитивно заряджені «іони», з яких складаються «каналові промені» в дослідах з мас-спектрографом. X-промені відповідають дуже високим обертонам основних коливань електронів. Альфа-частинки, що виникають при радіоактивних перетвореннях, - це частина позитивної сфери, вибита з неї в результаті якогось енергійного розривання атома.

Мал. 4. АТОМ, відповідно до моделі Томсона. Електрони утримуються всередині позитивно зарядженої сфери пружними силами. Ті з них, які знаходяться на поверхні, можуть досить легко «вибиватися», залишаючи іонізований атом.

Однак ця модель викликала ряд заперечень. Одне з них було пов'язано з тим, що, як виявили спектроскопісти, що вимірювали лінії випускання, частоти цих ліній не є простими кратними нижчої частоти, як повинно бути в разі періодичних коливань заряду. Замість цього вони зближуються зі збільшенням частоти, як якщо б прагнули до межі. Уже в 1885 І.Бальмеру (1825-1898) вдалося знайти просту емпіричну формулу, яка б пов'язала частоти ліній видимої частини спектра водню:

де n - частота, c - швидкість світла (3Ч10 ⁸ м / с), n - ціле число і R _H - якийсь постійний множник.Відповідно до цієї формули, в даній серії спектральних ліній водню повинні бути відсутніми лінії з довжиною хвилі l менше 364,56 нм (або з більш високими частотами), що відповідає n = Ґ. Так воно і виявилося, і це стало серйозним запереченням проти моделі атома Томсона, хоча і робилися спроби пояснити розбіжність відмінністю пружних повертають сил для різних електронів.

Виходячи з моделі атома Томсона, було також вкрай важко пояснити випускання атомами рентгенівського або гамма-випромінювання.

Труднощі в моделі атома Томсона викликало і ставлення e / m заряду до маси для атомів, які втратили свої електрони ( «каналових променів»). Найпростіший атом - атом водню з одним електроном і порівняно масивної сферою, яка несе один позитивний заряд. Значно раніше, в 1815, У.Праут висловив припущення, що все більш важкі атоми складаються з атомів водню, і було б зрозуміло, якби маса атома зростала пропорційно числу електронів. Однак вимірювання показали, що відношення заряду до маси для різних елементів неоднаково. Наприклад, маса атома неону приблизно в 20 разів більша за масу атома водню, тоді як заряд становить лише 10 одиниць позитивного заряду (у атома неону 10 електронів). Річ було так, як якщо б позитивний заряд мав змінну масу або ж електронів було дійсно 20, але 10 з них перебували всередині сфери.

http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ATOMA_STROENIE.html