1.1. Модели в микромире

Хотя уже никто не сомневался в наличии атомов, реально существующие атомы оказались совсем не такими, какими их представлял Демокрит. Уже Больцман по этому поводу писал: «В неделимость атома не верит в настоящее время ни один физик». Исследования структуры вещества в пространственных масштабах, меньших атомарных, привели к открытию новых простейших кирпичиков мироздания. Вещества состоят из атомов, а из чего состоят атомы? Первые ключи к разгадке этой тайны появились в конце XIX века, когда исследователи изучали прохождение электричества через разрядные трубки, содержащие разреженный воздух. Иногда стенки трубки излучали зеленый свет при подаче высокого напряжения на две металлические пластинки-электроды. Свечение возникало при попадании невидимых лучей от отрицательного электрода, или катода, на стенки трубки.

В 1887 году английский физик Томсон доказал, что эти катодные лучи (как их тогда называли) – не что иное, как потоки заряженных частиц. Предполагалось, что эти частицы исходят из атомов, хотя их расположение внутри атомов оставалось неясным. Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на рождественский пудинг, в котором большая, но легкая по массе положительно заряженная сфера усеяна многочисленными отрицательно заряженными частицами (электронами). Но различные опыты по изучению строения атома доказали, что это, безусловно, ошибочная теория. Установить истинную структуру атома все-таки удалось благодаря продолжительным и кропотливым экспериментам.

Рис.5. Резерфорд(1871–1935)

В 1911 году Эрнест Резерфорд (Рис.5), британский физик, уроженец Новой Зеландии, работавший вместе с Томсоном, предложил строение атома, реально объясняющее его поведение во время экспериментов. Резерфорд предположил, что центр (или ядро) атома имеет положительный заряд и относительно большую массу, а вокруг ядра вращаются крайне легкие и отрицательно заряженные электроны, составляющие электронную оболочку. Это открытие привело к созданию планетарной модели атома (рис.6).

Рис.6. Планетарная модель атома

Согласно этой модели атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Это похоже на планеты, вращающиеся вокруг Солнца. Поэтому эта модель получила название планетарно-ядерной (табл.1).

Таблица 1

Модели строения ядра

Название	Год	Автор	Состав ядра	Что объясняет
Планетарно-ядерная	1911	Э.Резерфорд	Заряженное положительно ядро и вращающиеся вокруг него отрицательно заряженные электроны	Планетарную модель атома
Протонно-электронная	до 1932	М.Кюри	Ядро состоит из протонов и электронов	Массу и заряд ядра. Устойчивость ядра.
Протонно-нейтронная	1932	Д.Д.Иваненко В. Гейзенберг	Ядро состоит из протонов и нейтронов	Массу и заряд ядра. Существование изотопов.
Капельная	1936	Я.И.Френкель, Н.Бор	Ядро представляет собой шарообразную каплю сверхплотной, заряженной жидкости	Насыщение ядерных сил. Механизм деления ядра. Энергию связи. Устойчивость ядра.

Последующие эксперименты (1914–1932) год показали, что атомное ядро (рис.7) состоит из тяжелых (по сравнению с электроном) частиц; электронейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Заряд протона равен по величине и противоположен по знаку отрицательному заряду электрона. В целом атом электронейтрален, так как число протонов в ядре равно числу электронов в атоме.

Рис.7. Структура атомного ядра

Число протонов в ядре определяет химические свойства атома и его место в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. Согласно современным представлениям, протон и нейтрон являются сложными частицами, состоящими из трех кварков (см. рис 1). В настоящее время в реальности кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаружены никогда.  Существование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах.  Число различных кварков равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутренней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными.

К настоящему времени открыто свыше 400 элементарных частиц (табл.2). Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.

Таблица 2