История развития представлений о строении вещества античности до современности

 
Но модель атома Дж. Дж. Томсона просуществовала сравнительно недолго. Опыты, начатые в 1907 Г. Э. Резерфордом и его помощниками, в том числе немецким физиком Хансом Гейгером (1882 - 1945), дали результаты, которые не могли быть объяснены с помощью модели Дж. Дж. Томсона.  
 
Опыты Резерфорда, показавшие неприемлемость модели атома Дж. Дж. Томсона, заключались в следующем, имеющие высокую скорость α-частицы направлялись на тонкий слой вещества (например, фольгу). Эффект получался двух родов: подавляющее большинство α -частиц только немного изменяло свою траекторию - под влиянием электрического поля атомов вещества происходило рассеяние α -частиц; небольшое число α -частиц, наоборот, как бы встретившись с непреодолимым препятствием, резко (более чем на 90°) изменяло направление своего полета.  
 
На основании этих опытов Резерфорд пришел к выводу, что в атомах существуют ядра- положительно заряженные микрочастицы, размер которых (приблизительно 10-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (около 10-8 см), но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Таким образом, α -частица резко изменяет направление своего пути, когда наталкивается на ядро.  
 
Установив существование атомных ядер, Резерфорд предложил в 1911 г. свою модель атома, которая получила название планетарной модели атома Резерфорда. Действительно, новая модель атома напоминает Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг по своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы Электрический ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов - атом электрически нейтрален.  
 
Но планетарная модель атома Резерфорда также имела свои неразрешимые противоречия. Дело заключается в следующем. Электроны обязательно должны двигаться вокруг ядра, в противном случае они потеряли бы устойчивость. В то же время, согласно законам электродинамики, любое тело (частица), имеющее электрический заряд и движущееся с ускорением, обязательно должно излучать электромагнитную энергию. Но в этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали на ядро.  
 
Есть и еще одно противоречие. В соответствии с законами электродинамики частота излучаемой электроном электромагнитной энергии должна быть равна частоте собственных колебаний электрона в атоме или (что тоже) числу оборотов электрона вокруг ядра в секунду. Но в этом случае спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает другое: атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называются линейчатыми (рис. 3) . Другими словами, планетарная модель Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла.  

 
Почти одновременно с Томсоном японский физик Х. Нагаока, опираясь на максвелловскую концепцию стабильности движения колец Сатурна, построил свою модель атома. В «сатурнианской» модели Нагаока имелась центральная положительно заряженная частица, окруженная электронами, вращающимися с общей угловой скоростью. Надо полагать, что Нагаока выбрал в качестве гештальта максвелловское представление о движении колец Сатурна с осцилляцией. Путем замещения этих колец осциллирующей электронной конфигурацией Нагаока надеялся объяснить линии эмиссионного спектра и стабильность атома. Далее. Опираясь на модели Перрена и Нагаоки, кембриджский астрофизик Никольсон с целью объяснения природы неидентифицированных линий спектров туманностей и солнечной короны выдвинул свою модель атома. При этом Никольсон включил планковский квант действия в свою теорию, приняв, что частоты различных наблюдаемых спектральных линий можно объяснить следующим предположением: отношение энергии системы и частоты вращения кольца электронов является целым кратным постоянной Планка. Никольсон предполагал, что очень важно, что вся масса атома сосредоточена в центральной положительно заряженной сфере. По любопытному совпадению в истории физики наиболее важные нововведения Никольсона, именно идея тяжелого ядра и представление о спектре как о квантовом явлении, были к тому времени уже введены в науку в результате независимых исследований. Имеются в виду исследования Нернста (1911 г.), Бьеррума (1911 г.) и Резерфорда (1911 г.) Вместе с тем Никольсон предвосхитил некоторые идеи Бора, основываясь часто на ошибочных рассуждениях. Упомянутое выше «любопытное совпадение» независимых исследований можно объяснить исходя из синергетической познавательной модели: познание атома двигалось к своему аттрактору через перечисленные ранее атомные модели — к атому Бора. Близ точки бифуркации оказались две альтернативные модели: Никольсона и Бора.  
 
Таким образом, и атом Бора, и атом Никольсона излучали и поглощали свет дискретными порциями — квантами, что противоречит классической физике. 
 
В этом пункте заключается их сходство, а различие — в непрерывности (в атоме Никольсона) и скачкообразности (в атоме Бора) перехода электрона с одной орбиты на другую при излучении или поглощении светового кванта. 
 
Можно предположить, что в основе обеих моделей, построенных для объяснения линейчатого спектра водорода, лежал следующий физический принцип: причиной излучения (и поглощения) атомом световых квантов является дискретное изменение состояния атома (так называемый квантовый постулат Бора) 
 
Предложенная Бором модель атома была основана на квантовой теории. Созданная им модель атома основывалась на планетарной модели атома Резерфорда и на разработанной им самим в 1913 г. квантовой теории строения атома. Бором были сформулированы два постулата, совершенно несовместимые с классической физикой:  
 
1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым (на которых) электрон может существовать, не излучая (согласно же классической физике, движение заряженного электрона по траектории, отличной от прямом линии, сопровождается излучением.);  
 
2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое электрон (атом) излучает или поглощает порцию энергии:  
 
ΔЕ=hv=E1-E 2  
 
где v, с-1 частота излучаемой или поглощаемой электромагнитной энергии (согласно же классической физике, частота излучения связана с количеством излучаемой энергии.); h=6,62 х 10-27 эрг·с - постоянная Планка.  
 
Из постулатов Бора следует, что предложенная им в 1913 г. модель атома являлась как бы «дополненной и исправленной» планетарной моделью. Действительно, понятными стали линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного стационарного состояния в другое. На рис. 4 представлены энергетические уровни атома водорода, изображенные горизонтальными линиями. Частоты переходов представлены вертикальными линиями, длина которых пропорциональна частоте. Буквы W1, W2, W3 и т. д. обозначают энергию стационарных уровней атома водорода: N1, N2, N3 и т. д. - квантовые числа. 

 
Постулаты Бора объясняют устойчивость электронов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Было также установлено, что переход электрона на более далекую от ядра орбиту приводит к увеличению энергии атома и, наоборот, переход электрона на орбиту, более близкую к ядру, вызывает уменьшение энергии атома.  
 
Следует отметить, что модель, предложенная Бором, была встречена с явным недоверием. Этому способствовала ее кажущаяся внутренняя противоречивость. Действительно, орбиты электронов, по Бору, вычислялись на основе законов классической физики, но только некоторые из них, подчиняющиеся дополнительному, ничем не обоснованному правилу, считались реальными. Далее, вопреки классической физике, принималось, что электроны, двигаясь по этим избранным орбитам, не излучают; постулировалось, что элементарный акт излучения происходит при «перескоке» электрона с одной орбиты на другую.  
 
Решающим доводом в пользу теории Бора явилось ее сопоставление с экспериментальными данными. Опираясь на постулаты своей теории, Бор вычислил частоты всех спектральных линий атома водорода. Вычисленные и измеренные частоты совпали с очень высокой точностью. В дальнейшем на основе теории Бора удалось объяснить и некоторые другие особенности спектральных наблюдений.  
 
Вместе с тем теория Бора натолкнулась на непреодолимые трудности. Так, например, на основе теории Бора оказалось невозможным объяснить, почему в спектре атома водорода одни линии яркие, в то время как другие слабые. Не смогла объяснить теория Бора и спектры атомов более сложных, чем водород, у которых имеется несколько электронов.  
 
Создавалось впечатление, что постулаты Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. 

5.  Проблема  выбора Бором модели атома. 
 
Выбор всегда предполагает предпочтение из множества (потенциального или актуального) вариантов своего варианта на основе определенного селективного критерия. 
 
«С современной точки зрения выбор, — как пишет В.П. Бранский, — который сделал Никольсон, кажется в высшей степени странным и даже просто нелепым: кажется бессмысленным сочетать в одной модели предположение о дискретном характере излучения с допущением о непрерывном характере изменения состояния атома. Однако Никольсон упорно избегал этой возможности. Нетрудно догадаться, что этому способствовала традиционная для мировоззрения классической физики установка, восходящая еще к философии Лейбница и Канта: «Природа не делает скачков.» 
 
Между тем «нет никаких сомнений в том, что датский предтеча современного экзистенциализма, Сёрен Кьеркегор, в какой-то мере подействовал на развитие современной физики, ибо он повлиял на Бора». 
 
Это подтверждает тот факт, что для молодого Бора главным авторитетом по философским вопросам был «пылкий ученик и блестящий толкователь учения Кьеркегора» (М. Джеммер) Харальд Гёффдинг — близкий друг Христиана Бора — его отца. «Кьеркегоровская философия жизни и религии, его так называемая «качественная диалектика», его антитеза мышления и реальности, его альтернативные концепции жизни, — продолжает М. Джеммер, — и его настойчивые указания на необходимость выбора — все это, по-видимому, оказало большое влияние на молодого Бора». Так называемая «качественная диалектика» Кьеркегора обосновывала существование дискретных качественных изменений, не сводимых к непрерывным количественным изменениям. 
 
«Нечто решающее происходит всегда только рывком, при внезапном повороте, который нельзя предсказать на основании прошлого и который не определяется им», — так характеризует Гёффдинг индетерминистскую теорию «скачков» Кьеркегора. «Представляется очевидным, что если скачок происходит между двумя состояниями или двумя моментами времени, ни один глаз не в силах наблюдать его, — продолжает Гёффдинг, — и так как поэтому он никогда не может быть явлением, его описание перестает быть описанием». Отсюда совсем уж близко до утверждения Бора, что динамическое равновесие системы в стационарных состояниях можно рассматривать с помощью обычной механики, тогда как переход системы из одного стационарного состояния в другое нельзя трактовать на этой основе. Иными словами, в этом основном и других допущениях Бора скрыто присутствует диалектический принцип «природа делает скачки». Не вызывает сомнений, что последний принцип сыграл роль селективного критерия в выборе Бором модели водородного атома и лежащих в ее основе квантовых постулатов, носящих его имя. Здесь можно сделать замечание, касающееся субъективного характера «качественной» диалектики Кьеркегора, но, несмотря на это, она повлияла на мировоззрение молодого Бора. Впоследствии зрелый Бор, по-видимому, модифицировал субъективные «скачки» Кьеркегора на объективный лад, что подтверждает успешное применение Бором их эвристического потенциала в создании так называемой старой квантовой теории. 

6. Современные представления о строении атома.

Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).  
 
Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (т.е. количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра). 
 
Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C. 
 
После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 г. нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц - в общей сложности около 350. В том числе: позитрон (античастица электрона); мезоны - нестабильные микрочастицы (к ним относятся (I - мезоны, - мезоны и более тяжелые - мезоны); различного вида гипероны - нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы-резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10-22-10-24 с); нейтрино - стабильная, не имеющая электрического заряда частица, по-видимому, с пулевой массой покоя, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино - античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.  
 
К свойствам элементарных частиц относятся масса, электрический заряд, время жизни, спин, т. е. собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого, измеряется в единицах постоянной Планка h(h=h/2π) и может быть целым или полуцелым (1/2, 3/2 ...) числом; квантовые числа (также целые или полуцелые), характеризующие состояние элементарных частиц.  
 
В характеристике элементарных частиц существует такое понятие как взаимодействие. Различают четыре вида взаимодействия. Сильное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие и гравитационное взаимодействие.  
 
Элементарные частицы обычно разделяют на следующие классы:  
 
1) фотоны - кванты электромагнитного поля, частицы, как уже говорилось, с нулевой массой покоят, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном взаимодействии;  
 
2) лептоны (от греч. leptos - легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают сильным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд - также и в электромагнитном взаимодействии;  
 
3) мезоны - сильно взаимодействующие нестабильные, как уже говорилось, частицы, могущие участвовать также и в слабом взаимодействии, а при наличии электрического заряда - и в электромагнитном;  
 
4) барионы (от греч. barys - тяжелый), в состав которых входят нуклоны (т. е. протоны и нейтроны), нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона, гипероны, многие из резонансов.  
 
Сначала, особенно когда число известных элементарных частиц ограничивалось электроном, протоном и нейтроном, господствовала точка зрения, что атом состоит из этих элементарных «кирпичиков». А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества заключается в том, чтобы разыскивать новые, еще неизвестные «кирпичики, из которых состоит атом, и в определении того, не являются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) сами сложными частицами, построенными из еще более тонких «кирпичиков».  
 
При таком подходе к делу было логично считать элементарными только те частицы, которые не могут быть разделены на более мелкие или которые мы пока не можем разделить. Смотря так на структуру материи, молекулу и атом нельзя было бы считать элементарными частицами, так как молекула состоит из атомов, а атомы - из электронов, протонов и нейтронов.  
 
Однако действительная картина строения вещества оказалась еще более сложной, чем можно было предполагать. Оказалось, что элементарные частицы могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а некоторые появляются. Например, при столкновении электрона и позитрона (процесс аннигиляции) возникают два фотона. Нестабильные микрочастицы распадаются на другие, более стабильные, но это вовсе не значит, что первые состоят из вторых.  
 
Поэтому в настоящее время под элементарными частицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из которых можно построить все, что нам известно в природе. Мир элементарных частиц сложен, а теория элементарных частиц находится в начале своего развития.  
 
Приблизительно в 1963-1964 гг. появилась гипотеза о существовании кварков - частиц, из которых состоят все барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействующими и по этому свойству объединенными общим названием адронов. Кварки (если они существуют) имеют весьма необычные свойства: они обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно какой-либо другой микрочастице, и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигает уже 36, если не больше.  
 
Все развитие атомистики шло по пути введения все новых первичных кирпичей вещества (молекулы, атомы, атомные ядра и электроны, нуклоны, кварки и т.д.) по типу матрешки. 
 
В заключение необходимо сказать о большом значении для изучения микроструктуры вещества ускорителей заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер), используемых для получения частиц высоких энергии, с помощью которых удается проследить процессы, происходящие с элементарными частицами. Ускоряемые частицы движутся в вакуумной камере, а управление их движением производится чаще всего с помощью магнитного поля.

Заключение

Представление о неделимых мельчайших частицах материи, возникшее еще в глубокой древности, сопровождало развитие воззрений на природу на протяжении всей истории научного познания. Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло, как известно, в античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа—Демокрита. Согласно этому учению, в мире существуют только атомы и пустота. Различные комбинации атомов образуют самые разнообразные видимые тела. Эти тела могут возникать и исчезать, но атомы, из которых они состоят, остаются неизменными. Они могут лишь переходить от одних тел к другим. 
 
Античная гипотеза об атомах не основывалась на каких-либо эмпирических данных и была лишь гениальной догадкой, но тем не менее она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания. И хотя сейчас известно, что атом вовсе не является последней, неделимой частицей материи и имеет сложное строение, тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции. 
 
Эта концепция, как уже отмечалось раньше, несомненно, обладает огромными возможностями для объяснения свойств и особенностей сложных тел с помощью свойств более простых элементов и частиц. Однако такое объяснение достигается, как известно, посредством редукции, т.е. сведения сложного к простому, составного к элементарному. Поэтому трудно согласиться с идеей, что все многообразие сложного и качественно разнообразного мира может быть сведено к немногим свойствам небольшого числа простых, элементарных частиц. 
 
Современная физика пока еще не создала единой теории элементарных частиц, на пути к ней сделаны лишь первые, но существенные шаги. Выявление общих глубинных структур частиц, участвующих в сильных взаимодеиствиях, и установление единства слабого и электромагнитного взаимодействий стимулировали разработку идеи объединения сильных, электрослабых и гравитационных взаимодействий в рамках единой теории. Иными словами, речь уже идет об исследовании субэлементарного уровня организации материи, о выяснении единой природы всех элементарных частиц. По-видимому, именно в закономерностях этого уровня скрыты основные тайны Вселенной, предопределившие особенности ее эволюции. Вообще для современной науки характерно, что чем глубже она проникает в микромир, тем больше возможностей открывается для понимания крупномасштабной структуры Вселенной. Последняя не является вечной и неизменной, а представляет собой результат развития материи, своеобразную реализацию тех потенциальных возможностей, которые были заложены в глубинах микромира. [10] 
 
Элементарный уровень организации материи включает наряду с элементарными частицами еще и такой необычный физический объект, как вакуум. Физический вакуум - не пустота, а особое состояние материи. В вакуум погружены все частицы и все физические тела. В нем постоянно происходят сложные процессы, связанные с непрерывным появлением и исчезновением так называемых «виртуальных частиц». Виртуальные частицы - это своеобразные потенции соответствующих типов элементарных частиц, их «вакуумные корни», частицы, готовые к рождению, но не рождающиеся, возникающие и исчезающие в очень короткие промежутки времени. При определенных условиях они могут вырваться из вакуума, превращаясь в «нормальные» элементарные частицы, которые живут относительно независимо от породившей их среды и могут взаимодействовать с ней.  
 
Первые шаги по пути исследования субэлементарного уровня материи привели к принципиально новым идеям о качественном многообразии вакуума. Выяснилось, что физический вакуум способен скачком перестраивать свою структуру. Такие переходы из одного состояния к другому, связанные с резким изменением характеристик системы, в физике называют фазовыми (известным их примером служат переходы воды в пар и лед). Физический вакуум тоже оказался способным к фазовым скачкам.  
 
Эти новые идеи современной физики микромира послужили опорой необычных представлений о развитии астрономической Вселенной, о ее возникновении путем взрыва, связанного с массовым рождением элементарных частиц в результате одного из фазовых переходов вакуума. Взаимодействие объектов субэлементарного уровня и возникающих на их основе элементарных частиц служит фундаментом для образования более сложных материальных систем. Из элементарных частиц строятся атомы, которые являются качественно специфическим видом материи.