Первые шаги в мир бесконечно малого

Первые шаги в мир бесконечно малого

Началом атомной физики явились два открытия конца XIX века, необъяснимые с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось в 1895 году с открытием немецким физиком В. Рентгеном рентгеновских лучей – нового вида излучения, быстро нашедшего свое применение в медицине. При помощи рентгеновских лучей Макс фон Лауэ исследовал атомную структуру кристалла. Однако рентгеновские лучи были не единственным видом излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия французский физик А. Беккерель в 1896 году обнаружил другой вид излучений, испускаемых так называемыми «радиоактивными элементами». Это излучение стали называть радиоактивным. «Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц» (4).

Явление радиоактивности подтверждало, что атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о сложности строения атома.

Планетарная модель атома. Английский физик Эрнест Резерфорд обнаружил, что так называемые альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутреннего строения атома. Он подвергал атом обстрелу альфа-частицами и по их траекториям после столкновения определял, как устроен атом.

В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мелкие частицы-электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Электроны, казалось, были прикованы к ядрам некими силами.

В 1911 году Резерфорд предложил планетарную модель атома, состоящего из тяжелого ядра и окружающих его электронов. Миниатюрный атом, диаметр которого примерно одна миллионная сантиметра, состоит из положительно заряженного ядра, которое на то время считалось неделимым, и движущихся вокруг него по орбите отрицательно заряженных электронов. Стоит заметить, что электрический заряд атома равен вовсе не нулю, а нулевой сумме противоположных электрических зарядов. Нуль есть тривиальность (небытие), которая не содержит в себе никаких компонентов, в то время как нулевая сумма есть объективная реальность (бытие), состоящая из компонентов, равных по величине, но противоположных по знаку.

Если мы возьмем в руки металлический шарик диаметром 1 мм, то диаметр атома окажется в 100 млн раз меньше его, а радиус ядра атома в 10 тысяч раз меньше радиуса самого атома. И сам атом практически состоит из пустоты. Атомное ядро занимает одну триллионную часть всего атома. Позднее, когда удалось разделить ядро, выяснилось, что оно состоит из еще более мелких элементов: протонов и нейтронов.

Хорошее представление об атоме дает такой пример. Если в центре Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге, самого большого собора России, поместить крупинку сахара, олицетворяющую ядро, вращающееся вокруг собственной оси, а в самом дальнем углу собора расположить пылинку – электрон, – вращающуюся с неимоверной скоростью вокруг крупинки сахара, то это будет приближенная модель атома водорода.

Вскоре после появления этой «планетарной» модели атома было обнаружено, что от количества электронов зависят химические свойства элемента, что явилось прекрасным подтверждением правильности Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (1869). Все элементы отличаются друг от друга только количеством электронов, вращающихся вокруг ядра. Сегодня мы знаем, что периодическую систему элементов можно составить, добавляя последовательно протоны к ядру самого легкого атома – атома водорода, а также соответствующее число электронов к «оболочкам» атома (или к сферическим орбитам).

Например, если представить, что в центре Исаакиевского собора вращается сахарная крошка, состоящая из 56 крупинок сахара, а вокруг нее носятся с огромной скоростью 26 пылинок, то получится модель атома железа.

Перед учеными встал ряд вопросов. Если атомы, образующие твердую материю, например железо, состоят практически из пустого пространства, то почему мы не можем проходить сквозь стены? Что придает веществу твердость? Вторая загадка связана с невероятной стабильностью атома. На основе классических представлений существование стабильных атомов в принципе невозможно. Согласно классической электродинамике, электрон не может устойчиво двигаться по орбите, поскольку вращающийся электрический заряд должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию; радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться, и за время примерно 10^–8 с электрон должен упасть на ядро. В действительности же атомы не только существуют, но и весьма устойчивы (4).

Кроме того, в воздухе, например, атомы кислорода миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом и тем не менее после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не выдержала бы таких столкновений. Однако сочетание электронов атома любого элемента (кислорода, железа и т. д.) всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атомами. Два атома железа и два железных бруска абсолютно идентичны, где бы они ни находились и как бы с ними ни обращались до этого.

Результаты всех экспериментов были парадоксальны и непонятны, и все попытки выяснить, в чем тут дело, оборачивались неудачей.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.