Предыстория атомной физики: учение об атомах в 17 -19 вв.
Мысль о существовании атомов как неделимых
частиц материи возникла ещё в древности; идеи атомизма впервые были высказаны
др.-греч. мыслителями Демокритом и Эпикуром. В 17 в. они были возрождены
франц. философом П. Гассенди и англ. химиком Р. Бойлем.
Представления об атомах,
господствовавшие в 17-18 вв., были малоопреде-лимыми. Атомы считались абсолютно
неделимыми и неизменными твёрдыми частицами, различные виды к-рых отличаются
друг от друга по размеру и форме. Сочетания атомов в том или ином порядке
образуют различные тела, движения атомов обусловливают все явления, происходящие
в веществе. И. Ньютон, М. В. Ломоносов и нек-рые др. учёные полагали, что
атомы могут сцепляться в более сложные частицы - "корпускулы". Однако а'томам
не приписывали определённых хим. и физ. свойств. Атомистика ещё носила
абстрактный, натурфилософский характер.
В конце 18 - нач. 19 вв.
в результате быстрого развития химии была создана основа для количественной
разработки атомного учения. Англ. учёный Дж. Дальтон впервые (1803) стал
рассматривать атом как мельчайшую частицу хим. элемента, отличающуюся от
атомов др. элементов своей массой. По Дальтону, основной характеристикой
атома является атомная масса. Хим. соединения представляют собой совокупность
"составных атомов", содержащих определённые (характерные для данного сложного
вещества) числа атомов каждого элемента. Все хим. реакции являются лишь
перегруппировками атомов в новые сложные частицы. Исходя из этих положений,
Дальтон сформулировал свой закон кратных отношений (см. Кратных отношений
закон). Исследования итал. учёных А. Авогадро (1811) и, в особенности,
С. Канниццаро (1858) провели чёткую грань между атомом и молекулой. В 19
в. наряду с хим. свойствами атомов были изучены их оптич. свойства. Было
установлено, что каждый элемент обладает характерным оптическим спектром;
был открыт спектральный анализ (нем. физики Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, I860).
Т. о., атом предстал как
качественно своеобразная частица вещества, характеризуемая строго определёнными
физ. и хим. свойствами. Но свойства атома считались извечными и необъяснимыми.
Полагали, что число видов атомов (хим. элементов) случайно и что между
ними не существует никакой связи. Однако постепенно выяснилось, что существуют
группы элементов, обладающих одинаковыми хим. свойствами - одинаковой макс.
валентностью, и сходными законами изменения (при переходе от одной группы
к другой) физ. свойств -темп-ры плавления, сжимаемости и др. В 1869 Д.
И. Менделеев открыл периодическую систему элементов. Он показал, что с
увеличением атомной массы элементов их хим. и физ. свойства периодически
повторяются (рис. 1 и 2).
Периодич. система доказала
существование связи между различными видами атомов. Напрашивался вывод,
что атом имеет сложное строение, изменяющееся с атомной массой. Проблема
раскрытия структуры атома стала важнейшей в химии и в физике (подробнее
см. Атомизм).
Возникновение атомной физики.
Представление о неделимости
Результаты исследования свойств
Рис. 3. Модель атома Томсона.
Они удерживаются в атоме
Важнейшими событиями в науке, от к-рых берёт начало А. ф., были открытия
электрона и радиоактивности. При исследовании прохождения электрич. тока
через сильно разреженные газы были открыты лучи, испускаемые катодом разрядной
трубки (катодные лучи) и обладающие свойством отклоняться в поперечном
электрич. и магнитном полях. Выяснилось, что эти лучи состоят из быстро
летящих отрицательно заряженных частиц, названных электронами. В 1897 англ.
физик Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряда е этих частиц к их массе
т. Было также обнаружено, что металлы при сильном нагревании или освещении
светом короткой длины волны испускают электроны (см. Термоэлектронная эмиссия,
Фотоэлектронная эмиссия). Из этого было сделано заключение, что электроны
входят в состав любых атомов. Отсюда далее следовало, что нейтральные атомы
должны также содержать и положительно заряженные частицы. Положительно
заряженные атомы - ионы - были действительно обнаружены при исследовании
электрич. разрядов в разреженных газах. Представление об атоме как о системе
заряженных частиц объясняло, согласно теории голл. физика X. Лоренца, саму
возможность излучения атомом света (электромагнитных волн): электромагнитное
излучение возникает при колебаниях внутриатомных зарядов; это получило
подтверждение при исследовании действия магнитного поля на атомные спектры
(см. Зеемана явление). Выяснилось, что отношение заряда внутриатомных электронов
к их массе elm, найденное Лоренцом в его теории явления Зеемана, в точности
равно значению e/
доказательство сложности атома.
и непре-вращаемости атома было окончательно опровергнуто работами франц.
учёных М. Склодовской-Кюри и П. Кюри. В результате изучения радиоактивности
было установлено (Ф. Содди), что атомы испытывают превращения двух типов.
Испустив а-частицу (ион гелия с положит. зарядом 2е), атом радиоактивного
хим. элемента превращается в атом другого элемента, расположенного в перио-дич.
системе на 2 клетки левее, напр. атом полония - в атом свинца. Испустив
(3-ча-стицу (электрон) с отрицат. зарядом -е, атом радиоактивного хим.
элемента превращается в атом элемента, расположенного на 1 клетку правее,
напр. атом висмута - в атом полония. Масса атома, образовавшегося в результате
таких превращений, оказывалась иногда отличной от атомного веса того элемента,
в клетку к-рого он попадал. Отсюда следовало существование разновидностей
атомов одного и того же хим. элемента с различными массами; эти разновидности
в дальнейшем получили название изотопов (т. е. занимающих одно и то же
место в таблице Менделеева). Итак, представления об абс. тождественности
всех атомов данного хим. элемента оказались неверными.
электрона и радиоактивности позволили строить конкретные модели атома.
В модели, предложенной Томсоном в 1903, атом представлялся в виде положительно
заряженной сферы, в к-рую вкраплены незначительные по размеру (по сравнению
с атомом) отрицат. электроны (рис. 3).
Точками обозначены электроны, вкрапленные в положительно заряженную сферу.
благодаря тому, что силы притяжения их распределённым положит. зарядом
уравновешиваются силами их взаимного отталкивания. Томсоновская модель
давала известное объяснение возможности испускания, рассеяния и поглощения
света атомом. При смещении электронов из положения равновесия возникает
"упругая" сила, стремящаяся восстановить равновесие; эта сила пропорциональна
смещению электрона из равновесного положения и, следовательно, диполъному
моменту атома. Под действием электрич. сил падающей электромагнитной волны
электроны в атоме колеблются с той же частотой, что и электрич. напряжённость
в световой волне; колеблющиеся электроны, в свою очередь, испускают свет
той же частоты. Так происходит рассеяние электромагнитных волн атомами
вещества. По степени ослабления светового пучка в толще вещества можно
узнать общее число рассеивающих электронов, а зная число атомов в единице
объёма, можно определить число электронов в каждом атоме.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я