12.5.Создание модели и первой теории строения атома. Планетарная модель атома э. Резерфорда. Теория атома водорода н. Бора

Даже основы теоретической квантовой физики нелегко объяснить в рамках привычного повседневного языка. Понятия и концепции, которыми мы пользуемся, считая их очевидными, складывались в течение тысячелетий, они сформированы различ-ными социальными отношениями. В силу давнего происхожде-ния некоторые из них приобрели статус абсолютной истины. Не удивительно, что прорыв в области физики столкнулся с целым рядом гносеологических и философских вопросов, проблем и противоречий. Пространство однородно, время течёт непрерыв-но, необратимо и равномерно, масса тела неизменна. На том стояла наука многие тысячелетия. Отказаться от этих представ-лений сразу было невозможно. К тому же классическая физика распространяла идею непрерывности пространства и времени (материи) на все процессы во Вселенной.

От концепции непрерывности материи пришлось отка-заться первой. После того, как представление об атоме приобрело конкретный смысл, дискретность всей известной материи стала основной концепцией в строении вещества. Но при этом принци-пы механики остались теми же, что и ранее: теперь вещество рас-сматривали как сложную систему, состоящую из совокупности малых систем. Концепция о дискретности вещества была перене-сена и на электричество: все измеренные заряды оказывались кратными заряду электрона, что было подтверждено классиче-скими опытами Р. Милликена и А.Ф. Иоффе. Концепция дис-кретности процессов оказалась максимально полезной при опи-сании законов теплового излучения. Были предложены разные частные законы, описывающие свойства и закономерности теп-лового излучения в разных частотных интервалах, но ни один из предложенных законов не описывал наблюдающиеся явления во всем диапазоне частот от нуля до бесконечности. Эту трудность преодолел М. Планк, предложивший допустить, что обмен энер-гией между веществом и излучением также не непрерывен, а происходит дискретно. М. Планк ввёл понятие порции света (кванта света – фотона), энергия которого связана с частотой и возрастает по мере увеличения частоты. Именно это предполо-жение о дискретности процесса поглощения и испускания энер-гии нагретыми телами стало началом всей квантовой физики.

Следующий серьёзный шаг – использование гипотезы для объяснения уже наблюдающихся явлений: помимо теплового из-лучения предположение М. Планка (гипотеза Планка) позволило объяснить экспериментально внешний фотоэффект и давление света.

Концепция дискретности находила всё больше подтвер-ждений. Дискретное строение атома. Уже доказано, что в атоме содержатся и положительно и отрицательно заряженные частицы. Вопрос в том, какие это частицы и как они расположены друг от-носительно друга. Одна из первых моделей получила название «пудинговая модель» Томсона. В объёме, равномерно заполнен-ном положительно заряженным веществом, находятся «малень-кие» отрицательно заряженные частицы, примерно как в тесте пудинга вкраплены изюминки. Возможно и наоборот, вещество атома заряжено отрицательно, а вкрапления – это положительно заряженные «изюминки». В предложенной модели явно просле-живается концепция непрерывности вещества, от которой отка-заться трудно и не понятно, стоит ли от неё отказываться, ведь до сих пор достаточно было усложнить уже имеющуюся теорию, чтобы объяснить в её рамках новые факты и явления.

Важным шагом вперёд стала модель Э. Резерфорда. Ос-новная идея учёного – заряженные частицы в атоме распределе-ны неравномерно: в центре расположена положительно заряжен-ная частица, занимающая крайне мало места, а уже вокруг неё находятся отрицательно заряженные частицы, наиболее вероятно, электроны. Электроны не неподвижны, а вращаются вокруг ядра, как планеты нашей системы вращаются вокруг Солнца. Модель была сразу названа планетарной моделью атома Резерфорда. Та-кое распределение частиц в атоме подтверждалось эксперимен-тально и объясняло многие другие наблюдения, но вопросов бы-ло больше, чем ответов. Один из вопросов был принципиальным: электроны, вращаясь вокруг ядра, затрачивают на движение энер-гию, тогда они должны были бы уменьшать свою энергию, излу-чая её, а, значит, должны рано или поздно свалиться на ядро. Этого не происходит. Почему!?

Дальнейший шаг был сделан Н. Бором, который попытал-ся применить понятие кванта в модели атома. Н. Бор предполо-жил, что: 1) электроны могут перемещаться только по строго определённым орбитам, радиусы которых кратны целым числам; 2) при перемещении по одной и той же орбите электрон не излучает и не поглощает энергию; 3) при переходе с одной орбиты на другую электрон поглощает (при переходе на более высокие, т.е. отдалённые от ядра орбиты) или излучает (приближаясь к ядру, т.е. перескакивая на более близкие к ядру орбиты) энергию, но в виде порций, квантов энергии. Эти теоретические предположения хорошо описывали наблюдающееся поведение электронов в атоме, но не являлись полным объяснением строения атома. Предположения Н. Бора получили название постулатов Бора. На современном этапе развития квантовой физики необходимость постулировать поведение электронов в атоме отпала, но название сохранилось. Постулаты Бора объясняли и наблюдающийся дискретный спектр излучения атомов. В первом приближении Н. Бор рассматривал орбиты электронов как окружности, впоследствии Зоммерфельд вывел уравнение для эллиптической формы орбит.

Идеально совпадая с экспериментом для водорода, в ато-ме которого содержится только один электрон, теория строения атома расходилась с эмпирическими данными даже для гелия, в атоме которого содержалось уже два электрона. Физики снова вернулись к теоретическому описанию явления. Это направление теоретических исследований возглавляли Э. Шрёдингер, Л. де Бройль, В. Гейзенберг. Их выводы оказывались всё дальше и дальше от классических представлений.

История квантовой, атомной и ядерной физики – это еди-ная история создания нового знания. В начале XX в. не было та-кого деления. Эти направления определились гораздо позже. А в начале пути они развивались как одно направление, дополняя и помогая друг другу. Так, при решении задачи о строении атома теоретики пришли к необходимости полностью отказаться от привычных представлений, делящих свойства известных форм материи на волновые и корпускулярные. Основная идея волновой механики (так вначале называлась квантовая физика) заключа-лась в том, что вещество, как и поле (свет) объединяет в себе свойства волны и частицы, являясь одновременно и тем и другим. Идея Л.. де Бройля получила полное воплощение в последующих работах экспериментаторов и теоретиков. Для волновой механи-ки модель атома Резерфорда-Бора была не более чем моделью, некоторым приближением, упрощением реальных свойств атома. Модель Резерфорда-Бора была лишь толчком к разработке тео-рии строения атома, а в дальнейшем и строения ядра атома. Во-прос, решение которого было первоочередным, в том, что атом лишь слабо напоминает планетную систему, ядро не похоже на Солнце, а электроны не обладают свойствами планет. Даже це-лые числа, введённые Н. Бором для описания свойств электронов в атоме (квантовые числа), обозначают не орбиты электронов, а уровни и подуровни энергий электронов. Более того, форма ор-биты, как и траектория движения электрона не может быть опре-делена и описана в привычных терминах. Можно говорить лишь о вероятности существования электрона в том или ином энерге-тическом состоянии в какой-то интервал (но не момент) времени, в какой-то области (но не в точке) пространства. Эта вероятность пропорциональна интенсивности волны электрона. В. Гейзенберг сформулировал принципиальное ограничение для динамических переменных, используемых для описания микрообъектов (снача-ла электрона). Потом это положение было распространено на все микрообъект и получило название принцип неопределённостей или соотношение неопределённостей Гейзенберга. Суть его в том, что динамические переменные, описывающие микрочасти-цу, одновременно можно измерить только до определённого зна-чения, но не точно, т.е. измерить с неопределённостью. Это не является результатом того, что экспериментатор обладает несо-вершенной техникой. Это ограничение имеет принципиальный характер и является неотъемлемым свойством всех микрообъек-тов. Чем точнее измеряется одна из переменных, тем с меньшей точностью можно узнать значение другой, сопряжённой с ней переменной величины.

Соотношение неопределённостей логично дополняло ве-роятностный подход к описанию изучаемых объектов, хотя и вы-зывало вопросы, в том числе, не приводит ли подобный вероят-ностный подход к отказу от причинно-следственной связи явле-ний.

Из-за невозможности точного определения траектории и других характеристик микрообъекта следовал принцип тождест-венной неразличимости микрочастиц. Если бы частицы можно было отличать друг от друга («пометить»), то тогда и их траекто-рию можно было бы отследить.

Энергетическое состояние электрона должно характери-зоваться не только его орбитой, но и формой и структурой его орбиты, ориентацией орбиты в пространстве, характером движе-ния электрона по этой орбите, а также собственными свойствами электрона, не связанными с его существованием в атоме.

Привычные понятия тормозили процесс понимания свойств микрообъектов. Это нашло отражение даже в названиях. Во-первых, многие названия переменных (скорость, импульс, энергия, время) «перекочевали» в квантовую физику, но теперь в них вкладывают другое понимание. Во-вторых, пришлось приду-мывать новые названия для новых понятий. Например, электрон обладает своим собственным орбитальным моментом, а не только орбитальным моментом вращения вокруг ядра. Естественным было первое представление о собственном орбитальном моменте электрона, как о вращении его вокруг собственной оси, подобно вращающейся вокруг собственной оси планете (или веретену). От метафизического представления быстро отказались. Собственный орбитальный момент характеризуется «спином» (тоже квантовое число). Слово «спин» происходит от английского «spin», что зна-чит «веретено». Проблема с поиском подходящих названий воз-никала и в дальнейшем. Изучая структуру элементарных частиц, ввели название структурного элемента «кварк». Слово заимство-вано из современной научно-фантастической повести и ничего не значит в повседневной жизни. А вот свойства самих кварков пришлось описывать привычными словами, утратившими здесь свой изначальный смысл: странность, цвет, очарованность.

Непривычным, а значит, на первых порах непонятным большинству явилась и необходимость описывать поведение электрона и других микрочастиц не в трёхмерном, а в шестимер-ном пространстве, хотя математически необходимость этого была очевидна из соотношения неопределённостей Гейзенберга. Да и применение теории комплексных чисел для описания реально существующих объектов тоже было впервые.

Уравнения волновой механики позволили более полно понять сущность взаимодействия электронов и ядра и составных частей самого ядра.

В 1931 г. во время бомбардировки бериллия альфа-частицами было обнаружено новое мощное излучение. Оно было столь интенсивным, что приводило не только к ионизации атома – выбыванию из него электронов, но к разрушению самого ядра. Британский учёный Дж. Чедвик, исследуя это излучение, открыл новую частицу, которая обладала массой протона, но не обладала электрическим зарядом. Был открыт нейтрон. Это открытие за-вершило модель атома Резерфорда-Бора. Д.Д. Иваненко и В. Гей-зенберг описали модель ядра, в состав которого входили протоны и нейтроны. Это дало возможность объяснить существование изотопов – ядер элементов с одинаковыми зарядами, но разной массой. Протоны и нейтроны – основные ядерные частицы. Они получили название нуклоны (nuclear – ядро).