Чем отличаются атомистические представления Демокрита, Эпикура, французских материалистов XVIII в. и современных физиков?

     Дж.Томсон в 1904 г. предложил очередную модель атома: внутри положительно заряженной сферы вращающиеся электроны размещаются в одной плоскости по концентрическим оболочкам.

     Хотя  вопрос о характере положительного заряда оставался открытым, Томсон математически исследовал подобную модель и выявил случаи равновесного распределения электронов в атоме, т.е. условия существования их устойчивых конфигураций.

     Вкратце ход рассуждений ученого заключался в следующем. Наибольшее количество электронов, образующих равновесную конфигурацию («кольцо»), равно пяти.Если же внутри кольца поместить одну или несколько «корпускул» (Томсон всю жизнь называл электроны корпускулами), то оно будет устойчивым и при большем числе образующих его электронов. При увеличении числа электронов они образуют серию концентрических колец, причем количество электронов растет пропорционально радиусу кольца. 
Опираясь на свои расчеты, Томсон предпринял первую в своем роде попытку объяснения периодического изменения свойств химических элементов, связав феномен периодичности с закономерным изменением числа электронов в концентрических кольцах, или, как он говорил, в «корпускулярных группах». Обсуждая различные конфигурации колец своей модели, Томсон показывал, что устойчивость этих конфигураций периодически связана с числом «корпускул».

     Иначе говоря, воззрения Томсона в скрытой  форме содержали исключительно важный вывод – место элемента в периодической системе определяется специфическими особенностями распределения «корпускул» (электронов) в атоме. Подобный вывод был, в конечном счете, недалек от истины.

Многие современники Томсона положительно характеризовали  его идею.

     Так, Э.Резерфорд, в частности, говорил, что  именно Томсону наука обязана  объяснением, правда, основанном на общих  соображениях, изменения химических свойств атома по мере возрастания числа электронов в нем. Н.Бор отмечал большое влияние работ Томсона на дальнейшее развитие атомной теории. Однако до подлинного понимания сущности периодичности было еще неблизко.

     Было  неизвестным точное количество электронов в атомах. Поскольку масса электрона  весьма мала, то естественным казалось считать, что количество электронов в атомах должно измеряться большими числами (порядка нескольких тысяч). По-прежнему оставался нерешенным вопрос о носителе единичного положительного заряда. Томсон полагал, что его масса должна значительно превосходить массу единичного отрицательного заряда. Подобное предположение впоследствии оказалось соответствующим действительности.

     Все предлагавшиеся атомные модели сыграли ту или иную роль в выяснении действительной структуры атома. Почти каждая из них содержала определенные рациональные зерна. Даже модель Ленарда, поскольку расчеты, проделанные на ее основе, приводили к выводу, что большая часть объема атома «пуста», даже модель «сатурнианского» атома Нагаоки.

     Решающее  значение для экспериментального выяснения  того, как же все-таки устроен атом, имели исследования рассеяния  -частиц, которыми облучались различные мишени. Здесь-то и проявилась «радиоактивная составляющая» в познании строения вещества: ведь -частица была продуктом одного из видов радиоактивного распада – -распада. В ряде случаев были обнаружены отклонения некоторых -частиц на углы, превышающие 90°. Это аномальное явление свидетельствовало о том, что в атоме сосредоточено интенсивное электрическое поле, ибо в противном случае было бы исключено столь резкое изменение направления движения -частицы. Развивая эту идею, Резерфорд в 1911 г. выдвинул предположение о существовании в атоме массивного заряженного тела.

     Так появилась на свет ядерная модель атома Резерфорда (сам термин «ядро» был введен Резерфордом в 1912 г.), точнее ее было называть ядерно-планетарной, поскольку она подразумевала, что  электроны вращаются вокруг ядра по оболочкам, подобно планетам вокруг Солнца. К идее о положительном заряде ядра Резерфорд пришел не сразу.

     Стало возможным говорить о разделении свойств атома на два типа: свойства, непосредственно зависящие от ядра, и свойства, определяемые электронными оболочками. К первым относились заряд  ядра, масса атома, которая весьма мало отличалась от массы ядра, поскольку  суммарная масса электронов была очень мала, а также радиоактивные  свойства. Ко вторым относились размеры  атома (диаметр атома 10^–10 м, диаметр ядра 10^–10 м), химические свойства и многие физические свойства, например, электрические, магнитные и оптические.

     После того как ядерная модель появилась на свет, центральными все же оказались проблемы, связанные со свойствами, обусловленными электронными оболочками атома. Однако объяснение этих свойств на основе электромагнитной природы сил взаимодействия, определяющих строение атома, столкнулось с фактически неразрешимым противоречием. Оно заключалось в том, что атом, состоящий из положительно заряженного ядра и из отрицательно заряженных электронов, должен быть неустойчив. Ведь электроны в атоме, двигаясь, согласно законам классической механики, вокруг ядра, под действием кулоновских сил притяжения к нему в соответствии с канонами классической электродинамики должны были непрерывно терять энергию вследствие излучения. В итоге электроны все более и более приближались бы к ядру, вплоть до падения на него. Таким образом, атом Резерфорда изначально был обречен на разрушение.

     Подобное  противоречие было разрешено в 1913 г. Н.Бором, который применил к ядерно-планетарной  модели квантовую теорию Планка. Бор  рассуждал следующим образом: «…классическая электродинамика недостаточна для описания системы атомного размера. Каково бы ни оказалось изменение в законах движения электрона, представляется необходимым ввести в эти законы величины, чуждые классической электродинамике, т. е. постоянную Планка…» Бор полагал, что если вращающиеся электроны не падают на ядро, то отсюда следует предположение: в атоме есть «пути», двигаясь по которым электроны не теряют энергии. Эти «пути» – так называемые стационарные орбиты, отвечающие «разрешенным» уровням энергии в атоме. Электрон начинает терять энергию только в том случае, если покидает стационарную орбиту. Когда возбужденный атом возвращается в нормальное состояние, «падающий» электрон перескакивает с орбиты на орбиту и теряет энергию не непрерывно, а скачками. «Количественная» оценка этих скачков возможна лишь при условии применения планковской теории. Образно говоря, планковский квант спас атом Резерфорда. Бор таким образом нашел ключ к пониманию внутренней механики атома, создав его квантовую теорию.

     Это было величайшее открытие на пути создания современной атомистики. Однако «квантовый атом» также таил в себе противоречие: представление о стационарных орбитах электрона опиралось на квантовую теорию, тогда как расчет этих орбит производился методами классической механики и электродинамики. Тем самым теория Бора не была последовательно ни квантовой, ни классической. Как остроумно заметил английский физик У.Брэгг, принимая теорию Бора, «мы как бы должны по понедельникам, средам и пятницам пользоваться классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам – квантовыми».

     В начале января 1913 г. голландский ученый А.Ван ден Брук высказал предположение: порядковый номер элемента (Z) в периодической системе Д.И.Менделеева численно равен заряду ядра его атомов. Кроме того, Ван ден Брук предложил гипотезу о строении атомного ядра. По его мнению, оно должно было состоять из ядер водорода (протонов) и внутриядерных электронов. Этой моделью фактически пользовались до 1932 г.

     Идея  Ван ден Брука о равенстве  заряда ядра атома порядковому номеру оказалась одним из самых фундаментальных  «откровений» в зарождавшейся новой  атомистике. В том же году она  получила экспериментальное подтверждение. Английский физик Г.Мозли детально изучил спектры характеристических рентгеновских лучей, испускавшихся атомами ряда последовательно расположенных элементов (от кальция до цинка). Подобное исследование позволило ему сделать вывод: «Для атома существует фундаментальная величина, которая увеличивается регулярным образом при переходе от одного элемента к соседнему. Эта величина может быть только зарядом центрального положительного ядра… она есть ничто иное, как номер места, занимаемого элементом в периодической системе».

     Мозли далее утверждал, что химические свойства элементов управляются величинами их порядковых номеров, тогда как атомные веса являются сами по себе сложной функцией Z. В 1914 г. он продолжил эксперименты со значительно большим количеством элементов и подтвердил правильность своего вывода. Мозли установил величины порядковых номеров элементов от алюминия до золота и зафиксировал отчетливые пробелы, отвечающие не открытым еще элементам (Z = 43, 61, 72 и 75).

     Стало очевидно, что последовательность расположения элементов по увеличению атомных  весов полностью идентична последовательности по величинам Z. Поэтому существование «аномалий» в последовательности атомных весов Co–Ni, Ar–K, Te–I не противоречило идее периодичности. Точно определилось число элементов между водородом и ураном. Раз и навсегда нижней границей системы элементов был признан водород с Z = 1. 
Периодический закон получил наконец физическое обоснование. Сменилась его формулировка. Теперь она звучала так: свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от зарядов ядер соответствующих элементов.

     На  смену атомным весам, природа  которых все еще оставалась недостаточно ясной, пришла строгая и четкая физическая константа – заряд ядра Z, определяющий число электронов в атоме. Это было своеобразным вторым рождением периодического закона.

     Однако  выяснение физической сущности периодического закона еще не означало истолкования глубинных причин явления периодичности. Оно не объясняло, почему различные  периоды содержат именно такое количество элементов, а не другое и почему периоды  начинаются химически активными  щелочными металлами, а заканчиваются  инертными газами. Иначе говоря, сама структура периодической системы  не имела столь же фундаментального обоснования, как периодический закон.

     Модель  атома требовала дальнейшей детальной  разработки, которая заключалась  в установлении закономерностей  формирования электронных конфигураций атомов по мере роста Z. Именно на этом направлении в начале 1920-х гг. была создана теория периодической  системы элементов (главным образом  Н.Бором). 

                           ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Рассмотрев  вышеизложенный материал, можно сделать  следующий вывод.

       Демокрит определял атом как наименьшую, далее неделимую, частицу материи. Он учил, что реально существует бытие и небытие. Бытие – это атомы, небытие – пустота, пустое пространство. Пустота - неподвижна и беспредельна; она не оказывает никакого влияния на находящиеся в ней тела, на бытие.

     Атом по Демокриту – неделимая, совершенно плотная, непроницаемая, невоспринимаемая чувствами (вследствие своей, как правило, малой величины), самостоятельная частица вещества, атом – неделим, вечен, неизменен. Атомы никогда не возникают и никогда не погибают. Возникновение и уничтожение вещей объясняется сложением и разделением атомов; изменение вещей - изменением порядка и положения (поворота) атомов. Атомы – вечны и неизменны; вещи преходящи и изменчивы. Атомизм таким образом соединил в одной картине рациональные моменты двух противоположных учений: Гераклита и Парменида. Мир вещей текуч, изменчив; а мир атомов, из которых состоят вещи, неизменен, вечен. По Демокриту, мир в целом – это беспредельная пустота, начиненная многими отдельными мирами. Отдельные миры образовались в результате того, что множество атомов, сталкиваясь друг с другом, образуют вихри - кругообразные движения атомов.

     Вслед за Демокритом об атомизме говорил  Эпикур, который к свойствам атома, обрисованным Демокритом, Эпикур прибавил вес атома. Он подчеркнул, что атомы имеют не только величину, фигуру, размеры, но и, будучи "тельцами", имеют определенную тяжесть. Он, напротив, считает, что атомам должна быть (по логике рассуждения!) присуща некоторая свобода, случайность в их движении. Атомы не движутся в каких-то строго предопределенных направлениях, а они, как говорит Эпикур, "трясутся во всех направлениях".

     Великим начинанием французских просветителей  было создание «Энциклопедии», в которой с просвещенческих позиций была дана оценка всего известного из истории человечества, всех достижений наук, искусств и ремесел. Это был гигантский труд, в создании которого принимали участие все просветители во главе с философом и писателем Дени Дидро и ученым-математиком Жаном Д'Аламбером. В центре мировоззрения энциклопедистов стоял человек как часть природы. Природа, учили они, существует сама по себе, не нуждаясь ни в каком сверхприродном начале. Материя — строительный материал природы — вечна и обладает движением как своим необходимым свойством. От природы человек добр, злым его делают несовершенные общественные отношения, которые и нужно исправлять, перестраивая жизнь на принципах разума.

     Открытия Резерфорда и Бора являются фундаментальными и имеют огромное значение для современной физики и для всего человечества. История науки учит, что всякий раз, когда человечество овладевает очередной ступенькой лестницы, ведущей в глубь вещества, это приводит к открытию нового, еще более мощного вида энергии. Горение и взрыв связаны с перестройкой молекул. Внутриатомные процессы сопровождаются выделением в миллионы раз большей энергии. Еще большее выделение энергии происходит на уровне элементарных частиц. А что будет на следующих ступенях? Открытия Резерфорда и Бора доказали, что атом не есть неделимая частица, и дают возможность современной физике ответить на этот вопрос.