Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

Поскольку Томсону было свойственно выдвигать крупные гипотезы, неудивительно, что именно он первым подступился к этим вопросам и предложил возможные ответы. В его распоряжении были только атомы, электрически нейтральные в нормальном состоянии, и отрицательные электроны. Его идея заключалась в том, что они присутствуют в большом количестве внутри нейтрального атома. Если атом теряет несколько электронов, он оказывается заряженным положительно, а если получает электроны, то приобретает отрицательный заряд. Чтобы понять эту атомную модель, важно подчеркнуть, что для Томсона не было никакой частицы или материи с положительным зарядом, и единственный способ сделать атом положительно заряженным — это лишить его отрицательных электронов. Именно дефицит или излишек электронов определял электрический заряд атома, положительный или отрицательный соответственно. В 1904 году Томсон выразил это следующим образом:

«Атомы элементов состоят из некоторого числа отрицательно заряженных корпускул, скрытых в сфере однородного положительного заряда».

Это известно как пудинговая модель. Конечно же, не сам Томсон так ее окрестил; более того, название может ввести в заблуждение. И изюминки, и сам пудинг материальны, хотя и имеют различные свойства. В случае с атомом Томсона единственной материей была та, которую составляли электроны. При этом вопрос о числе электронов в каждом атоме довольно прост: если учитывать, что масса каждого электрона (все они равны) в 2000 раз меньше массы самого маленького атома (атома водорода), можно сделать вывод, что внутри каждого атома должны содержаться сотни электронов (около 2000 в случае с водородом или около 32000 в случае с кислородом).

Нельзя не отметить красоту и простоту этой модели атома. С помощью единственного типа частиц, электронов, объяснялась и масса, и заряд атомов. Томсон представлял, что электроны могут образовывать стабильные структуры в форме более или менее концентрических сфер. Только внешние электроны определяют такие физические и химические свойства элементов, как присутствие ионов (атомов с положительным или отрицательным зарядом) в химической связи.

Исследование в прикладной науке ведет к реформам, исследование в чистой науке ведет к революциям.

Джозеф Джон Томсон

Однако иллюзия Томсона длилась недолго. К концу 1905 года некоторые экспериментальные результаты косвенно указали на то, что число электронов в каждом атоме не превышает нескольких десятков. Это означало, что большая часть массы атомов не может состоять в его электронах, а должна быть в части положительного электричества. В чем же тогда заключалась эта положительно заряженная часть атома? Здесь Томсон приступил к исследованию положительных ионов, то есть атомов, потерявших один или несколько электронов, в поисках ключа, который позволил бы понять положительную часть атома.

Но с уменьшением числа электронов проявилась фундаментальная проблема, которую методы физики XIX века не объясняли: нестабильность атома, вызванная излучением электронов. Дело в том, что движение электрически заряженных частиц (электронов) производит множество неожиданных эффектов. Нас интересует потеря энергии при излучении, вызванном их скоростью, а также потеря скорости, вызванная сопротивлением среды.

Чтобы представить себе стабильные конфигурации электронов в море положительного электричества, требовалось, чтобы электроны двигались на больших скоростях; тогда они испускали бы электромагнитное излучение и в результате теряли энергию и скорость и падали в центр атома, который утрачивал бы свои обычные свойства. Когда считалось, что в атоме тысячи электронов, потеря энергии при излучении не представлялась проблемой: электронов было достаточно для того, чтобы энергия одних поглощалась другими и атом мог оставаться стабильным. Но когда число электронов в атоме значительно сократилось, подобная компенсация оказалась абсолютно невозможной, а значит, нельзя было представить стабильный атом. С этой же проблемой в ином контексте сталкивались многие физики того времени, и решил ее только Эйнштейн в статье 1905 года <К электродинамике движущихся тел*, заложившей основы специальной теории относительности.

Одной из актуальных тем в физике в 1911 году были эксперименты Резерфорда и, что самое важное, их истолкование самим новозеландским исследователем. Резерфорд создал в Манчестере школу «радиоактивистов» — исследовательское отделение, сосредоточенное в основном на экспериментальном изучении радиоактивности. Речь шла о явлении, открытом Анри Беккерелем (1852-1908) и супругами Пьером (1859- 1906) и Марией (1867-1934) Кюри, о котором — в отношении его эффектов, свойств и глубинной природы — было известно очень мало.

Уже в 1899 году Резерфорд понял, что речь идет не об одном, а о трех типах излучения, которые различаются электрическим зарядом и способностью проникновения в материю. Он обозначил их первыми тремя буквами греческого алфавита в порядке возрастания энергии: альфа-излучение (а) — с положительным электрическим зарядом, отрицательно заряженное бета-излучение (Р) и гамма-излучение (у), не имеющее заряда. Кроме того, первые два вида излучения явно состояли из корпускул — частиц, обладающих массой. Альфа-частицы имели массу, похожую на массу атома гелия, а бета-частицы... были электронами!

Работы Резерфорда и его команды в Манчестере мало перекликались с интересами Томсона и Кавендиша. С самого начала Резерфорд был заворожен свойствами радиоактивности и сосредоточился на этой новой области. Эти работы обеспечили ему в 1908 году Нобелевскую премию... по химии (так же, как и Марии Кюри в 1911 году). Радиоактивность — явление на полпути между физикой и химией. С одной стороны, изучение его природы, его интенсивности, его свойств при взаимодействии с материей — вопросы, традиционно физические; в то же время выделение веществ, наблюдение их реакций, измерение массы — это задачи химии. Поэтому школа Резерфорда в Манчестере объединила ученых (физиков и химиков) в деле исследования свойств радиоактивности.

В начале 1896 года внимание мира было приковано к новому типу излучения — рентгеновским, или икс-лучам.

Анри Беккерель хотел понять возможную связь между этими лучами и уже известным явлением флуоресценции, при котором некоторые вещества превращаются в излучатели света, подвергнувшись интенсивному солнечному излучению. Эксперименты Беккереля были относительно просты: он брал вещества с флуоресцентными свойствами, подвергал их прямому действию солнечного света и изучал их воздействие на фотографическую пластину в темноте. После нескольких облачных дней он с удивлением обнаружил, что фотографические пластины, которые он оставил в том же ящике, что и предполагаемые флуоресцентные вещества, оказались затуманены. Беккерель сосредоточился на этом явлении и попытался выяснить, возможно ли его повторить. Оказалось, возможно. Одно из веществ, с которым он работал, содержащее соли урана, спонтанно испускало доселе неизвестное излучение, из-за которого фотографические пластины затуманивались. Можно сказать, что Беккерель открыл новое внешне необъяснимое явление, вызванное ураном. Но только спустя десятилетия работы исследовательских групп, больших затрат, выдвижения всевозможных гипотез были описаны характеристики этого явления и состоялся переход от урановых лучей к радиоактивности. На самом деле Беккерель не был заинтересован в продолжении изучения «своих» лучей. Именно супруги Кюри и Эрнест Резерфорд сделали их главной темой своих исследований. Так, они выяснили, что это излучение характерно не только для урана: его испускают и другие тяжелые элементы (последние в периодической таблице) — радий и торий. Но более важно то, что им удалось выделить новый элемент, названный полонием в честь Польши, родины Марии Кюри.

Анри Беккерель.

Каким образом радиоактивность связана с составом атома? Вскоре выяснилось, что радиоактивность — атомное явление. Альфа- и бета-частицы испускались атомом, что наводило на мысль о том, что это лишь компоненты радиоактивных атомов (сложнее было с у-излучением, которое больше походило на свет, чем на частицу). Кроме того, Резерфорд доказал, что радиоактивность — не инертный процесс, она меняет природу веществ: при испускании радиоактивности один элемент превращается в другой, близкий к нему в периодической таблице. Другими словами, радиоактивность является процессом (спонтанным или индуцированным, доподлинно известно не было), который преобразует элементы.

В итоге, хотя и косвенно, радиоактивность также оказалась очень полезным инструментом для анализа структуры атомов. После ее открытия ученые переключились на изучение всех типов радиации, подвергая ее воздействию различные материалы, различную толщину одного и того же материала, под разными углами падения. При этом была получена важная информация об энергии излучения, его интенсивности и его электрическом разряде. Как раз такие эксперименты ставили в Манчестере Резерфорд и его коллеги, в частности немец Ханс Гейгер (1882-1945) и молодой британец Эрнест Марсден (1889-1970). С 1909 года Гейгер и Марсден изучали взаимодействие а-радиоактивности (которая больше всего интересовала Резерфорда) с металлическими поверхностями и поняли, что падающий пучок а-частиц не пересекает металлы линейно, а подвергается различным отклонениям — дисперсии. Это было естественно, поскольку в металле атомы образуют довольно геометрическую структуру, поэтому можно было ожидать, что а-частицы будут отклоняться от своих траекторий, проходя рядом с атомами. Но не было нормальным то, что при повторении аналогичного опыта с очень тонкими поверхностями а-частицы испытывали большие отклонения.