Атомная теория

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Атомная теория — физическая теория, предполагающая, что всё на свете состоит из мельчайших частиц — атомов, скреплённых между собой ядерными и электрическими силами. В XX веке на практике было доказано, что атом можно разделить на ещё более мелкие — субатомные — частицы.

История[править | править исходный текст]

Атомизм[править | править исходный текст]

В древнегреческой философии, а позднее и в средние века, люди предполагали, что вещи вокруг них состоят из двух частей: неделимые атомы, каким-то образом сцепленные друг с другом, и из пустоты между атомами. Атомы считались вечными и неразрушимыми корпускулами.[1][2] Эта позиция была отражена в трудах таких философов, как Демокрит или Левкипп, но никаких доказательств этой теории в то время не было.

Первая теория строения атома[править | править исходный текст]

В конце XVIII века были открыты химические законы сохранения:

Модель атома Томсона

Эти законы не могли бы исполняться с такой точностью, если бы материя была дискретной структурой. Но в то время была не совсем ясна структура того, что сейчас мы называем «молекулой». В 1811 году Амедео Авогадро провёл серию опытов с газом и выяснил, что два литра водорода реагируют только с одним литром кислорода при получении водяного пара.[6] А с открытием в 1827 году броуновского движения,[7] стало очевидно, что материя состоит из отдельных частиц — атомов, способных собираться в группы — молекулы, то есть была создана атомная теория строения вещества.

Открытие субатомных частиц[править | править исходный текст]

Планетарная модель атома.

До 1897 года атомы считались неделимыми. В 1897 году Джозеф Джон Томсон провёл опыт с круксовой трубкой (англ.)русск.,[8] в котором впервые наблюдался электрон. На катод подавалось некое напряжение и, как впоследствии оказалось, в таких условиях катод излучает пучки электронов. Томсон выяснил, что эти пучки отклоняются при воздействии на них электромагнитным полем. Сам Томсон называл эти частицы корпускулами, но позднее им дали отдельное имя — электроны.

Открытие ядра атома[править | править исходный текст]

Модель атома Бора.

Модель атома Томсона была опровергнута в 1909 году учеником Томсона — Эрнестом Резерфордом. Последний обнаружил, что атом не однороден по своей структуре: в центре находится массивное положительное плотное ядро, а вокруг него, как планеты вокруг Солнца, летают электроны.

Оказалось, если обстреливать альфа-частицами тонкий лист золота, то альфа-частицы будут отклоняться на разные углы, причём часть из них — на угол больше  \cfrac {\pi} {2} \, а такое может быть только если массивная положительная альфа-частица встречает на своём пути достаточно массивное положительное препятствие.[9]

Создание квантовой теории атома[править | править исходный текст]

У планетарной модели был ряд недостатков, из которых самым существенным был недостаток, связанный с теоретически верной потерей энергии электрона: так как электрон вращается вокруг атома, то на него действует центростремительное ускорение, а по формуле Лармора (англ.)русск. любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает. То есть теряет энергию. А если электрон теряет энергию, то в конце концов он должен упасть на ядро, чего в реальности не происходит.

В 1913 году Нильс Бор предположил, что электрон может вращаться не как угодно, а на строго определённых орбитах, не меняя своей энергии сколь угодно долгое время. Переход с орбиты на орбиту требует определённой энергии — кванта энергии.

Открытие изотопов[править | править исходный текст]

В 1907 году было радиохимиком Фредериком Содди обнаружено, что существуют вещества с одинаковыми химическими свойствами, но отличающиеся числом нейтронов.

Открытие делимости ядра[править | править исходный текст]

В 1930 году было обнаружено, что если высокоэнергетичные альфа-частицы попадают на некоторые лёгкие элементы, то последние излучают лучи с необычно большой проникающей способностью. Это излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные остальные лучи. В 1932 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин, то образуются протоны высоких энергий, не сходящиеся с теоретическими расчётами. Физик Джеймс Чедвик предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провёл серию экспериментов[каких?], подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами.

Открытие атомных орбиталей[править | править исходный текст]

Различные атомные орбитали.

В 1924 году Луи Де Бройлем было предположено, что все частицы связаны с волной, названной впоследствии волной де Бройля с частотой  \nu = \cfrac {E} {h} и с длиной волны  \lambda = \cfrac {h} {p} .

В 1926 году было записано уравнение Шрёдингера,[10] описывающее субатомные частицы как волны. Чуть позже Макс Борн предположил, что корпускулярно-волновой дуализм верен не только для фотонов, но и в принципе для всех частиц. Было введено понятие орбитали — место наиболее вероятного нахождения электрона данного атома. Ведь теоретически электрон может быть очень редко обнаружен на любом расстоянии от атома,[11] но чаще всего он находится где-то рядом с оным, как раз «на орбитали».

Теория строения атома в культуре[править | править исходный текст]

Атом как символ науки.
« Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными, и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то, какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов, принесло бы наибольшую информацию?

Я считаю, что это – атомная гипотеза: все тела состоят из атомов - маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольших расстояниях, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе содержится невероятное количество

информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения.
»
  • Модель атома в упрощёном виде является одним из известных символов науки.

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Aristotle, Metaphysics I, 4, 985b 10—15.
  2. Berryman, Sylvia, «Ancient Atomism», The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2008 Edition), Edward N. Zalta (ed.), http://plato.stanford.edu/archives/fall2008/entries/atomism-ancient/
  3. Weisstein, Eric W. Lavoisier, Antoine (1743-1794)]. scienceworld.wolfram.com. Проверено 1 августа 2009. Архивировано из первоисточника 7 апреля 2013.
  4. Proust, Joseph Louis. «Researches on Copper», excerpted from Ann. chim. 32, 26-54 (1799) [as translated and reproduced in Henry M. Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry, 1400—1900 (Cambridge, MA: Harvard, 1952)]. Retrieved on August 29, 2007.
  5. Andrew G. van Melsen From Atomos to Atom. — Mineola, N.Y.: Dover Publications, 1952. — ISBN 0-486-49584-1
  6. Avogadro, Amedeo (1811.). «Essay on a Manner of Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies, and the Proportions in Which They Enter into These Compounds». Journal de Physique 73: 58–76.
  7. (1905) «Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen». Annalen der Physik 322 (8): 549. DOI:10.1002/andp.19053220806. Bibcode:1905AnP...322..549E.
  8. Thomson, J.J. (1897). «Cathode rays» ([facsimile from Stephen Wright, Classical Scientific Papers, Physics (Mills and Boon, 1964)]). Philosophical Magazine 44 (269). DOI:10.1080/14786449708621070.
  9. Geiger, H (1910). «The Scattering of the α-Particles by Matter». Proceedings of the Royal Society A 83: 492–504.
  10. Schrödinger, Erwin (1926). «Quantisation as an Eigenvalue Problem». Annalen der Physik 81 (18): 109–139. DOI:10.1002/andp.19263861802. Bibcode:1926AnP...386..109S.
  11. Mahanti, Subodh. Max Born: Founder of Lattice Dynamics. Проверено 1 августа 2009.