28. Гипотеза де Бройля

Французский ученый Луи де Бройль, развивая представления о двой­ственной корпускулярно-волновой при­роде света, выдвинул в 1924 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также вол­новыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной сто­роны, корпускулярные характеристики – энергия Е и импульс р, а с другой – волновые характеристики — частота v и длина волны. Количественные соот­ношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как для фотонов:

Таким образом, любой частице, обладающей импульсом, сопоставляют волну, длина которой вычис­ляется по формуле де Бройля;

где р = mv — импульс частицы, имеющей массу т и движущейся со скоростью v.

В даль­нейшем формула де Бройля была под­тверждена опытами многих ученых наблюдавших дифракционную картину при прохождении пучка быстрых электронов.

Подтвержденная экспериментально ги­потеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещества ко­ренным образом изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микро­объектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства; в то же время любую из микрочастиц нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании.

26.2. Модели атома Томсона и Резерфорда

Представление об атомах как недели­мых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века, во времена безграничного господства церкви, учение об атомах, будучи материалистическим, естественно, не могло получить признания, а тем более дальнейшего развития. К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность, так как к этому времени в работах А. Лавуазье, М. В. Ломоносова и Д. Дальтона была доказана реальность существования атомов.

Большую роль в развитии атомисти­ческой теории сыграл Д. И. Менделеев, разработавший в 1869 г. Периодическую систему элементов. Во второй половине XIX в. экспериментально было доказано, что электрон является одной из основных составных частей любого ве­щества.

Первая попытка создания на основе накопленных экспериментальных данных модели атома принадлежит Дж. Дж. Томсону. Согласно этой модели атом представляет собой равномерно положи­тельно заряженный шар радиусом поряд­ка 10^-10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны; суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара. Модель Томсона оказалась несостоятельной.

Большую роль в развитии представле­ний о строении атома сыграли опыты английского физика Э. Резерфорда по рассеянию а-частиц в веществе, которые возникают при радиоактивных превращениях. Они представляют собой положительно заряженные частицы с заря­дом 2е и массой, примерно в 7300 раз большей массы электрона.

Резерфорд, исследуя прохождение а-частиц в веществе (через золотую фольгу толщиной примерно 1 мкм), показал, что основная их часть испытывает незначи­тельные отклонения, но некоторые а-частицы (примерно одна из 20000) резко отклоняются от первоначального направ­ления (угол отклонения достигает 180°). Он сделал вывод о том, что значительное отклонение а-частиц обус­ловлено их взаимодействием с положи­тельным зарядом большой массы. Одна­ко значительное отклонение испытывают лишь немногие а-частицы; следователь­но, лишь некоторые из них проходят вблизи данного положительного заряда. Это в свою очередь, означает, что положительный заряд атома сосредоточен в объеме, очень малом по сравнению с объемом атома.

На основании своих исследований Резерфорд предложил ядерную (планетар­ную) модель атома (1911). Согласно этой модели, вокруг положительно заряжен­ного ядра, имеющего заряд Ze (Z — поряд­ковый номер элемента в системе Менде­леева, е — элементарный заряд), размер 10^-15–10^-14 м и массу, практически равную массе атома, в области с ли­нейными размерами порядка 10^-10 м по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т. е. вокруг ядра должно вращаться Z электронов.

Попытки построить модель атома в рамках классической физики не привели к успеху: модель Томсона была опроверг­нута опытами Резерфорда; ядерная же модель оказалась неустойчивой электро­динамически и противоречила опытным данным. Преодоление возникших труд­ностей потребовало создания качественно новой квантовой теории атома.