6.2. Первые модели атома

До конца XIX в. в науке господствовало убеждение, что все физические тела состоят из очень маленьких частиц — молекул, невидимых глазу, но доступных наблюдению в мощный микроскоп. Однако сами молекулы состоят из еще более мелких частиц — атомов. Например, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атомы, считалось в науке прошлых столетий, — это последний предел делимости вещества. Они представляют собой простейшие, мельчайшие и неделимые частицы, которые лежат в основе любого физического тела. Кроме того, если они неделимы, значит, также постоянны и неизменны. Само вещество может меняться или превращаться как угодно благодаря всевозможным атомным взаимодействиям. Сами же атомы пребывают всегда в одном и том же состоянии. Будучи неделимой вечной мировой основой, они не могут распадаться на части, рождаться, исчезать, переходить в другие формы и т.д. Слово «атом», которое переводится с греческого как «неделимый», было впервые употреблено древним философом Демокритом. Его идеи об атомах как последнем пределе вещества с небольшими изменениями существовали более двух тысяч лет. Они легли в основу механицизма классического естествознания, были в нем развиты и продолжены. В конце XIX в. эти представления доживали свои последние дни. Открытия в физике, сделанные на рубеже XIX и XX столетий, разрушили многовековые представления об атомах, произвели настоящую революцию в науке.

В самом конце XIX в. английский физик Джон Томсон открыл существование в атоме отрицательно заряженных частиц, которые получили название электронов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение, что помимо электронов в нем существуют также положительно заряженные частицы. Опыты английского физика Эрнеста Резерфорда привели его к выводу о том, что в любом атоме существует ядро — положительно заряженная частица, размер которой (10-12 см или одна стомиллиардная часть миллиметра) очень мал по сравнению с размерами всего атома (10-8 см или одна десятимиллионная часть миллиметра). Ядро меньше атома в 10000 раз, но в нем почти полностью сосредоточена вся атомная масса. Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут самопроизвольно превращаться в атомы других в результате ядерных излучений. Это явление, впервые открытое французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, получило название радиоактивности (от лат. radiare — испускать лучи и activus — деятельный).

Эти открытия убедительно показали, что атомы — это не простейшие, неделимые и неизменные частицы вещества, а сложные, делимые и способные к превращению микрообъекты, имеющие определенное устройство. Одним из первых попытался выяснить строение атома Томсон. С его точки зрения атом представляет собой положительно заряженную массу, в которую вкраплены электроны, подобно тому, как изюм вкраплен в булку. Причем положительный заряд атома равен сумме отрицательных зарядов всех электронов, в силу чего атом электрически нейтрален. Здесь необходимо сказать, что поскольку атом вследствие своих малых размеров (приблизительно одна десятимиллионная часть миллиметра) недоступен никакому непосредственному наблюдению (даже с помощью сложнейших приборов), то о его устройстве можно говорить только умозрительно. Умозрительная картина или модель атома, описывающая его структуру (строение), предложенная Томсоном, стала условно называться «булка с изюмом».

Другую модель атома построил Резерфорд. Она получила название планетарной. Нам хорошо известно, что наша Солнечная система состоит из огромного центра — Солнца и вращающихся на разных расстояниях вокруг него девяти планет, одной из которых является наша Земля. Причем размеры и масса каждой планеты ничтожно малы по сравнению с размером и массой Солнца, то есть почти все вещество Солнечной системы сосредоточено в нем. Между Солнцем и планетами действуют силы тяготения (взаимного притяжения), хорошо известные ньютоновской механике. Эти силы обеспечивают равномерное и стройное движение планет вокруг общего центра. Резерфорд предположил, что строение атома сходно с устройством Солнечной системы: в центре его находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным круговым орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы: положительный заряд атомного ядра уравновешивается суммой зарядов электронов, и поэтому атом электрически нейтрален. У Резерфорда получилось, что каждый атом — это целый сложно устроенный мир, только очень малых размеров. По этому поводу русский поэт Валерий Брюсов написал такие стихи:

Быть может эти электроны —

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом —

Вселенная, где сто планет;

Там все, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то — чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же

Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже

Там та же мировая спесь.

Модель атома Резерфорда наглядно описывала его строение. Однако впоследствии она столкнулась со множеством противоречий, и стало понятно, что она не совсем подходит для объяснения атомного устройства. Согласно одному из законов диалектики — перехода количественных изменений в качественные — при значительном изменении масштабов (увеличении или уменьшении) изучаемых нами объектов, принципы и законы, действующие в одних условиях, могут совершенно не действовать в других; правила одних областей реальности могут не соответствовать правилам других. Если атом — это столь малая величина, то почему бы не предположить, что для него существуют совершенно иные правила и законы, чем для нашего видимого макромира, что микромир строится абсолютно на других принципах, и все наши макропредставления бессильны что-либо описать или объяснить в микрообластях действительности.

Резерфордовская модель атома, просто и наглядно говорившая о его устройстве, была родом из макромира, ведь она сравнивала его с Солнечной системой, использовала понятия ядра, центра, движущихся частиц-электронов, орбит движения (а это все макропонятия или макропредставления). Видимо, об атоме надо было говорить как-то иначе, неким другим, специфическим языком, потому что в его лице мы имеем дело с совершенно иной реальностью.

Новую модель атома построил известный датский физик Нильс Бор. По его представлениям электрон — это не столько точка или твердый шарик, движущийся вокруг атомного ядра, сколько некий сгусток энергии, как бы размазанный вокруг ядра, но не равномерно, а с большей или меньшей плотностью на различных участках. Кроме того, надо говорить не об орбите движения электрона, а его стационарном (неизменном) состоянии, в котором он может находиться, не излучая энергии. Если же это положение меняется, то есть электрон как бы переходит из одного стационарного состояния в другое, то он излучает или поглощает порцию энергии. Как видим, модель, предложенная Бором, была более сложной и менее понятной, чем резерфордовская, но и она не смогла с успехом объяснить атомное строение, потому что во многом использовала макроязык и макропонятия. Выяснилось, что процессы, происходящие в атоме, в принципе невозможно представить в виде какой-либо механической модели по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Отказавшись полностью от понятного естественного языка и наглядных моделей при изучении микромира, наука все более стала пользоваться абстрактным языком математики. Атом физиков-теоретиков постепенно превращался в ненаблюдаемый набор уравнений.

Мы уже говорили о том, что к концу XIX в. наука установила два различных вида существования материи — вещество и поле, которые во всем друг от друга отличаются и представляют собой противоположности (вещество обладает корпускулярными свойствами, а поле — волновыми). На рубеже позапрошлого и прошлого столетий выяснилось, что два эти вида материи не исключают друг друга. Как то ни удивительно, но одни и те же объекты могут характеризоваться и свойствами вещества, и свойствами поля одновременно, то есть иметь как корпускулярные, так и волновые качества. Известный немецкий физик Макс Планк, исследуя процессы теплового излучения, пришел к ошеломляющему выводу о том, что при излучении энергия отдается или поглощается не непрерывно и не в любых количествах, но небольшими и неделимыми порциями, которые он назвал квантами (от лат. quantum — сколько). Квант — это порция энергии. Вдумаемся в это словосочетание. Его первая часть — слово «порция» — подразумевает нечто определенное, ограниченное, вещественное, имеющее некие размеры, то есть частицу или корпускулу. Вторая часть — слово «энергия» — подразумевает нечто непрерывное, безразмерное, невещественное, то есть поле. Стало быть, квант — это такой объект физической реальности, в котором совпадают или одновременно представлены и вещество, и поле, объект, отличающийся корпускулярно-волновым дуализмом.

Эйнштейн перенес идею о квантах на область света и создал новое учение о нем. Вспомним, что Ньютон считал свет потоком корпускул, Гюйгенс и Юнг рассматривали его как волны cветоносного эфира, а Фарадей и Максвелл — как колебания электромагнитного поля. Эйнштейн совместил все эти представления и создал теорию, по которой свет имеет корпускулярно-волновую природу. Он распространяется квантами, то есть энергетическими порциями, которые были названы фотонами (от греч. photos — свет). С одной стороны, фотон — это именно порция энергии и поэтому является своего рода частицей или корпускулой, а с другой стороны, фотон — это порция именно энергии, и поэтому является своего рода волной. Свет по Эйнштейну — это поток энергетических зерен, световых квантов или своеобразный фотонный дождь. Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэффекта, сущность которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием световых волн (каждый электрон вырывается одним фотоном). Все это убедительно подтвердило идею Эйнштейна, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте — корпускулярные. Фотонная теория Эйнштейна относится к наиболее экспериментально подтвержденным физическим теориям.

Идея о квантах была перенесена и на представления об атоме, в результате чего появилась специфическая дисциплина — квантовая механика — наука, описывающая процессы, происходящие в микромире. Одним из ее основных утверждений является мысль о том, что микрообъекты (электроны, например) обладают, подобно свету, и корпускулярными, и волновыми свойствами, и только при учете этой двойственности можно более или менее успешно получить общую картину микромира. Квантовая механика — сравнительно молодая научная дисциплина, ее «возраст» насчитывает приблизительно сотню лет. Появившись в прошлом столетии, она уже достигла значительных результатов, но дальнейшие ее успехи, по всей видимости, впереди. Современная наука ждет от нее ответов на многие сложные вопросы, связанные не только с микромиром, но также касающиеся макро- и мегамиров, ведь три эти области существуют не изолированно друг от друга, а представляют собой единую физическую реальность.

Вопросы для самопроверки

Какие открытия, сделанные в физике в конце XIX и начале XX вв., разрушили представления об атомах как о неделимых частицах вещества?

Что представляет собой модель атома, предложенная Томсоном? Как устроен атом согласно модели Резерфорда? Почему она называется планетарной?

Как выглядела модель атома, предложенная Нильсом Бором? В чем заключаются трудности изучения микромира?

Какое открытие было сделано Планком? Что такое квант? В чем проявляется его корпускулярно-волновая природа?

Какую теорию света разработал Эйнштейн на основе представлений о квантах?

Что представляет собой корпускулярно-волновой дуализм микромира? Что такое квантовая механика?