Вещество. Реальность атомов и молекул

Лептон.

Современная физика рассматривает  электрон как истинно элементарную частицу, не обладающую структурой и размерами. Если последние и отличны от нуля, то радиус электрона re < 10 -18 м

Заметим, что когда мы трем поверхность янтаря или иного непроводящего  материала (диэлектрика) шерстью, тканью, мы вовсе не «сдираем» электроны с электронных оболочек атомов. Мы просто снимаем поверхностные заряды («грязь»), экранирующие неоднородный поверхностный заряд диэлектрика (его поляризацию). К концу XIX в. стало известно, что вещество содержит в себе положительные и отрицательные заряды. Минимальная «порция» вещества — атом. Следовательно, и атом должен состоять из положительных и отрицательных зарядов, и, по существовавшим на тот момент представлениям, быть неделимым. Тогда простейшая модель атома — модель желе (пудинга с изюмом), в котором смешаны положительные и отрицательные заряды, и разделить их нельзя (модель Томсона, 1904).

Справка:

Эрнест  Резерфорд 

(1871 - 1937)

  Цель эксперимента  Э.Резерфорда: проверить  гипотезу Дж. Томсона  на опыте. Э.Резерфорд решил проник внутрь атома с помощью a- частиц, которые имели положительный заряд, массу почти в 3600 раз большую чем масса электрона и очень большую скорость (около 10км/c). С точки зрения Резерфорда a- частицы должны были легко "пробить" атом, похожий на пудинг и тем самым доказать справедливость модели атома Томсона.

Решающий  эксперимент по проверке этой модели был проделан в 1910 г. Э. Резерфордом (1871-1937), X. Гейгером (1882-1945) и Р.

(красные линии)  направлялись на  очень тонкую золотую  фольгу.

a- частицы после  прохождения фольги  попадали на экран,  на котором фиксировались  вспышки. 

Ход эксперимента

К большому удивлению  Э. Резерфорда, эксперимент  показал совсем другую картину: 
 

Ядерная модель атома Резерфорда:

Описание 

  в центре атома  находится положительно заряженное ядро

Вокруг  ядра движутся электроны.

Заряд ядра равен номеру элемента в таблице  Менделеева.

Ядро  состоит из нейтронов (заряд  нейтронов равен 0) и протонов (заряд  протонов по величине равен заряду электрона, а по знаку - положителен).

У нейтрального атома  число электронов равно числу протонов в ядре.

Марсденом: а - частицы (ядра гелия, имеющие положительный заряд), возникающие при радиоактивном распаде, направляли на тонкую золотую фольгу и наблюдали, как изменится направление их движения после прохождения через металл. Если верна модель «желе», то а-частицы не должны отклоняться от первоначального направления. Если же электрический заряд по атому расположен неравномерно, то а-частицы должны были бы по-разному отклоняться неоднородно-стями электрического заряда.

Было  обнаружено совершенно неожиданное  явление — некоторые а-частицы отклонялись от первоначального направления настолько сильно, что почти возвращались к источнику.

В таблице 1 приведены результаты одного из экспериментов. Заметим, что все эти эксперименты проведены

Таблица 1 Результаты одного из экспериментов  по наблюдению рассеивания  а-частиц золотой  фольгой.

с помощью глаза  — экспериментатор в темной комнате наблюдал вспышки на экране из вещества, светящегося при попадании на него а-частиц. (При адаптации к темноте человеческий глаз способен различать отдельные фотоны.)

Резерфорд следующим образом вспоминал  свою первую реакцию на эти результаты: «...Я помню... ко мне пришел очень взволнованный Гейгер и сказал: „Мы, кажется, получили несколько случаев рассеяния а-частиц назад...»Это самое невероятное событие, которое было в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись, попал бы в вас. При анализе я понял, что такое рассеяние должно быть результатом однократного столкновения, и, произведя расчеты, увидел, что это никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда у меня и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром, в котором сосредоточен заряд».

Заметим, что еще в 1887 г., за 10 лет до открытия электрона и почти за 30 лет  до работ Резерфорда, выдающийся (в будущем) русский физик П. Н. Лебедев (1866-1912) в дневнике писал: «...Каждый атом всякого нашего первичного элемента (Н, О, Ва...) представляет собой полную Солнечную систему, то есть состоит из различных атомопланет, вращающихся с разными скоростями вокруг центральной планеты или каким-либо другим образом двигающихся характерно периодически.

Планетарная модель атома.

                          

  Модель Солнечной  системы.               Пример планетарной  модели атома

Периоды движения весьма кратковременны...». Пример удивительной прозорливости ученого. Стало ясно, что атом состоит не из смеси разбросанных по объему положительных и отрицательных частиц, но из массивного положительного заряда — ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами, значительно более легкими, чем ядро. Размер ядра, оцененный из этих экспериментов, составляет около 10 ^-13 см.

Как мы помним, размер атома около 10 ^-8 см. То есть размер ядра по крайней мере в 10 000 раз меньше размера атома.

Основываясь на этих исследованиях, в 1911 г. Резерфорд предложил новую, «планетарную» модель, уподоблявшую атом Солнечной системе. В центре находится маленькое положительное ядро, содержащее почти всю массу атома, а вокруг ядра — электроны, число которых равно положительному заряду ядра, выраженному в электронных зарядах.

Стала ясна структура атома, удалось определить число электронов в каждом атоме.

Так, в  водороде имеется один электрон и  ядро с положительным зарядом, численно равным заряду электрона. В гелии — два электрона и соответствующим образом заряженное ядро. И так вплоть до урана с 92 электронами и ядром, несущим 92 единицы положительного заряда. То есть удалось качественную разницу между атомами свести к количественной. Можно расположить атомы в определенном порядке в соответствии с их атомными номерами. Каждому номеру от 1 до 92 (кроме технеция — 43 и прометия — 61) соответствует элемент, обнаруженный в природе.

Существуют  также и трансурановые  элементы с атомными номерами больше 92. Они  имеют малые времена жизни и в природе при естественных условиях не встречаются.  Сведение качественных различий между атомами к количественным представляет собой огромный шаг вперед. Стала понятна структура периодического закона Менделеева, принципы систематизации атомов.

Однако  каждое открытие ставит новые, более  сложные вопросы. Действительно,  почему бром с 35 электронами —  коричневая  жидкость,  легко образующая химические соединения; криптон с 36 электронами — благородный газ, практически не вступающий в химические соединения; рубидий с 37 электронами — металл, химически очень активный? Почему один лишний электрон приводит к столь резкому изменению свойств элемента? На эти вопросы удалось получить ответ только после того, как была понята квантовая природа материи.

Есть  и другие вопросы. Так, если мы принимаем  планетарную модель атома, то считая, что электроны вращаются вокруг ядра, и зная размер атома (радиус орбиты электронов), мы можем оценить время оборота одного электрона вокруг ядра.  Оно составляет около  10^-16с. Правильность этой оценки легко проверить экспериментально — частота света, испускаемого раскаленным водородом, составляет 10¹⁶ Гц. Однако если электрон испускает свет, то есть теряет свою энергию, радиус его орбиты должен уменьшаться и в конце концов электрон должен упасть на ядро. Но этого не происходит.

Более того, раскаленный и холодный водород  должны были бы испускать свет одинаковым образом. Однако холодный водород свет не испускает.

Известно, что каждый атом испускает (или поглощает) свет вполне определенных частот, характерных только для данного атома. На этом основаны, в частности, методы спектрального анализа состава веществ.

Более того, атом газа сталкивается с другим атомом один раз за 10^-12с, то есть через каждые 10 000 оборотов электрона вокруг ядра. И при этом сохраняются и частота излучения, и размер атома... Представим себе, что Солнечная система или Земля столкнутся с подобными себе объектами...

Отметим особо свойства атомных систем, которые  не способна описать модель Резерфорда.

1) Устойчивость. Атомы сохраняют свои специфические свойства, несмотря на сильные столкновения и возмущения, которым они подвергаются.

2) Тождественность. Все атомы одного рода (с одинаковым числом электронов) обладают тождественными свойствами. Они испускают и поглощают излучение с одними и теми же частотами, имеют равные размеры, свойства.

3) Воспроизводимость. Способность возвращаться в исходное состояние. Если форма атома была искажена и его электронные орбиты изменили свой вид в результате внешнего воздействия (высокого давления, соседства других атомов и т. п.), то после устранения причины искажения атом и электронные орбиты вновь приобретут исходную форму.

Эти противоречия показывают, что планетарная модель, так же как и ее предшественники, — только некое приближение к действительному строению атома. Опыты показывают, что атом как планетарная система не может обладать всеми перечисленными свойствами, а это значит, что данная модель приближенная. Нужен новый взгляд на природу атома.

Вывод:  В конце прошлого и начале нынешнего века в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии.

Если  раньше последними неделимыми частицами  материи, своеобразными кирпичиками, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце прошлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).

Согласно  первой модели атома, построенной английским ученым Эрнестом Резерфордом (1871 — 1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной  системе, в которой вокруг ядра вращаются  электроны. Прежняя модель строения атома была значительно усовершенствована выдающимся датским физиком Нильсом Бором (1885—1962), который предположил, что при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.