Создание теории строения атома

Имеет ли атом структуру или нет, состоит ли он из более мелких частиц материи или нет, является ли он истинно неделимым и т. д., – эти вопросы возникали в истории науки и философии уже давно. Для многих ученых и философов прошлых веков атом представлялся действительно неделимым, не имеющим внутреннего строения. Однако были и такие, которые предлагали различные гипотезы о его строении.

В начале XIX в. мысль о сложном строении атомов высказал английский ученый Праут. Он исходил из результатов измерений, которые показали, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. На основе этого Праут и высказал гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода.

Новый толчок для развития идеи о сложном строении атома дало открытие Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834—1907) периодического закона. Уже одно это открытие наталкивало на мысль о том, что атомы не являются неделимыми, что они обладают структурой и их нельзя считать первичными материальными образованиями. И действительно, вскоре появились новые гипотезы о строении атома. Так, например, английский химик и физик Крукс, опираясь на открытие Менделеева, высказал гипотезу о том, что все элементы образуются из некоего первоначального вещества, «протипа», в результате его конденсации.

Открытие периодического закона Менделеева натолкнуло на идею о сложном строении атома Николая Александровича Морозова (1854— 1946). Все атомы химических элементов, по Морозову, состоят из пяти основных частиц: трех частиц с атомными весами 1, 2, 4 (структурного водорода, протогелия и архония) и двух частиц электричества: отрицательной – «катодия» и положительной – «анодия». Все химические элементы в соответствии с его теорией являются сочетанием этих, как бы мы теперь сказали, элементарных частиц.

Теория строения атома, однако, начала по-настоящему развиваться только после открытия электрона и радиоактивности. Эти открытия совершенно определенно свидетельствовали о том, что атом нельзя считать неделимым и не имеющим внутреннего строения.

Первая модель атома на основе новых открытий была разработана В. Томсоном и Дж. Дж. Томсоном. В наиболее законченном виде она была изложена в 1903 году в книге «Электричество и материя». Согласно этой модели, атом состоит из положительного заряда, равномерно заполняющего сферу, размеры которой имеют тот же порядок, что и атом. Внутри сферы находятся отрицательные заряды – «корпускулы», размеры которых гораздо меньше размеров сферы. Число корпускул в атоме велико. Так, по Томсону, самый малый атом, атом водорода, содержит около 1000 корпускул.

С помощью своей модели Дж. Дж. Томсон пытался объяснить многие физические и химические явления. Прежде всего Дж. Дж. Томсон показал, что его модель позволяет объяснить периодичность химических свойств элементов, выражаемую периодическим законом Менделеева. Оказывается, что при устойчивом состоянии атома электроны в нем должны располагаться концентрическими слоями с определенным числом электронов в каждом слое. С помощью предложенной модели Томсон объяснял линейчатый характер атомных структур, хотя спектральные закономерности ему объяснить не удалось.

Несмотря на то, что уже вскоре была обнаружена ограниченность модели Томсона, она сыграла положительную роль в развитии теории строения атома. Из теории Томсона был заимствован ряд идей, и, прежде всего, идея о слоистом расположении электронов в атоме и объяснение на ее основании периодической системы элементов.

Японский физик Нагаока в 1904 году предложил планетарную модель атома. По этой модели атом состоит из положительного ядра, вокруг которого вращается кольцо, состоящее из большого числа электронов.

В 1905 году в докладе на 77-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей вопроса о планетарной модели атома коснулся Вин. Он высказался против такой модели, поскольку атом, построенный согласно ей, не может быть устойчивым, вследствие того, что электроны в таком атоме должны излучать и быстро терять энергию.

В 1909–1910 годах сотрудниками лаборатории английского физика Эрнеста Резерфорда (1871–1937) были проведены экспериментальные исследования рассеяния альфа-частиц тонким слоем вещества. Эти исследования показали, что для большинства альфа-частиц, пронизывающих тонкий слой вещества, можно принять, что они рассеиваются силовыми центрами, которые действуют на них с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Для некоторых же сравнительно немногих частиц, отклонение которых составляло угол ~90° и больше, нужно было принять, что они встретились с очень сильными электрическими полями.

Анализируя данные эксперимента, Резерфорд был вынужден в 1911 году в работе «Рассеяние альфа- и бета-частиц веществом и строение атома» высказаться за планетарную модель атома. По теории Резерфорда, атом состоит из положительного ядра, гораздо меньших размеров, нежели атом, порядка 10^(-15) м. Вокруг ядра вращаются электроны. Резерфорд полагает, что число электронов в атоме должно быть равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Модель атома Резерфорда, казалось, совершенно определенно следовала непосредственно из экспериментов. Однако несмотря на это, против нее можно было выдвинуть те же возражения, которые были высказаны Вином против планетарной модели. Кроме того, данная модель не могла объяснить вид атомных спектров, при изучении которых уже была установлена определенная закономерность в распределении спектральных линий.

Таким образом, проблему строения атома нельзя было считать решенной. В 1913 году Дж. Дж. Томсон, учтя экспериментальные данные по рассеянию альфа-частиц и соображения Резерфорда, разработал новую модель атома. Теперь он предположил, что атом состоит из ядра малых размеров, вокруг которого расположены электроны. Но сила взаимодействия между электронами и ядром уже не является кулоновской, а зависит от расстояния по более сложному закону. В случае действия такой силы электроны в атоме могут находиться в равновесии, будучи неподвижными. В этом случае электроны при равновесии должны располагаться вокруг ядра в виде колец, аналогично тому, как это было в первой модели Томсона. Будучи выведен из положения равновесия, какой-нибудь электрон начинает совершать внутри атома периодическое движение. Появились и другие работы, в которых высказывались новые гипотезы о строении атома, отличные и от гипотез Резерфорда и Томсона. Однако все эти гипотезы носили искусственный характер и не имели успеха.

Теория атома Нильса Бора

Успеха в построении теории атома добился в 1913 году молодой датский физик Нильс Бор (1885—1962), работавший в лаборатории Резерфорда. Бор понял, что для построения теории, которая объясняла бы и результаты опытов по рассеянию альфа-частиц, и устойчивость атома, и сериальные закономерности, и ряд других экспериментальных данных, нужно отказаться от некоторых принципов классической физики.

Можно взять за основу модель атома Резерфорда, но дополнить ее новыми гипотезами, которые не следуют или даже противоречат классическим представ-лениям. Эти гипотезы известны как постулаты Бора. Они сводятся к следующему. Каждый электрон в атоме может совершать устойчивое орбитальное движение по определенным орбитам, с определенным значением энергии, не испуская и не поглощая электромагнитного излучения. Электрон способен перескакивать с одной стационарной орбиты на другую, и только в этом случае он испускает или поглощает определенную порцию энергии монохроматического излучения определенной частоты. Эта частота определяется величиной изменения энергии атома при таком перескоке в согласии с теорией Планка.

Большим успехом теории Бора было объяснение спектра водорода. Прямым ее подтверждением были результаты опытов Франка и Герца по исследованию возбуждения и ионизации паров ртути ударами электронов, проделанных в 1914 году В опытах Франка и Герца было показано, что удары электронов об атомы ртути, если энергия первых меньше некоторого критического значения являются упругими. Когда же их энергия достигает этого значения, то удары становятся неупругими, энергия электронов полностью передается атомам ртути, они возбуждаются и начинают излучать. При дальнейшем увеличении энергии электронов удары опять становятся упругими, и только при достижении определенных значений энергия во время соударения вновь целиком передается атомам ртути, которые, возбуждаясь, излучают определенные спектральные частоты. Опыты, проведенные с другими элементами, показали, что и для них наблюдалась такая же закономерность. При соударении электронов с атомами последние способны воспринимать только определенные количества энергии Е и излучать определенные частоты.

Дальнейшее развитие теории Бора происходило прежде всего в направлении поисков более общих условий, определяющих стационарные состояния атомов.

В 1915 году независимо друг от друга Зоммерфельд и Вильсон ввели более общие квантовые условия, которые были применены к атому водорода. Дальнейшее обобщение этих условий было проведено Шварцшильдом и Эпштейном. Использование более общих условий квантования позволило более точно рассчитать энергетические уровни атома водорода с учетом эллиптических орбит электрона и даже релятивистских поправок, а также рассчитать энергетический спектр атома водорода в магнитном и электрических полях.

Важным достижением квантовой теории Бора было также развитие им и другими исследователями представления о строении многоэлектронных атомов. При этом они опирались на периодический закон Менделеева и химические свойства элементов, а также использовали идею о слоистом строении атомов, заимствованную у Дж. Дж. Томсона. Впервые в развитом виде теорию строения атомов Бор изложил в 1921 году в докладе «Строение атомов в связи с физическими и химическими свойствами элементов», прочитанном им в Копенгагене; затем она совершенствовалась в его последующих работах и работах других ученых.

Дальнейшие исследования строения атома пошли по линии уточнения формы и взаимной ориентации электронных орбит и введения новых соответствующих квантовых чисел для состояний как отдельных электронов в атоме, так и состояния атома в целом.

1925 году немецкий физик Паули (1900—1958) сделал новый шаг в развитии как теории строения атома, так и квантовой теории вообще. Исследуя дублетный характер спектров щелочных металлов, а также аномальный эффект Зеемана, Паули высказал мысль, что их можно объяснить, если приписать самому электрону некоторую «двузначность», т. е. что электрон на орбите может находиться в двух состояниях. Что означает, однако, «двузначность» — этот вопрос Паули не был склонен рассматривать более подробно и предлагать для ее объяснения какую-либо модель.

Но уже в том же 1925 году американский физик Крониг, узнав об идеях Паули, высказал предположение, что эта «двузначность» является результатом того, что самому электрону нужно приписать момент импульса и соответственный магнитный момент. Соображения Кронига не встретили поддержки ни у Паули, ни у ряда других ведущих теоретиков. Против гипотезы о вращении электрона можно было высказать много возражений, и она, казалось, не могла быть принята. Однако также в 1925 году независимо от Кронига голландские физики Уленбек и Гаудсмит пришли к аналогичному заключению о собственном моменте импульса электрона, который объяснялся вращением самого электрона вокруг своей оси. Их работа вызвала интерес и, хотя вскоре было выяснено, что представление о вращающемся электроне не может быть сохранено, тем не менее, представление о спине электрона твердо вошло в физику.

Почти одновременно с гипотезой о «двузначности» электрона Паули высказал важное предположение, касающееся вопроса заполнения оболочек в атоме, известное как принцип Паули. Как выяснилось в конце концов, для характеристики состояния электрона в атоме необходимо четыре квантовых числа. Согласно принципу Паули, в атоме не может быть двух или более электронов, для которых значения всех четырех квантовых чисел одинаковы. Принцип Паули проливал новый свет на теорию строения атома. Теперь стало понятным предположение Бора о последовательном заполнении электронных оболочек многоэлектронных атомов.

Введение четырех квантовых чисел, установление принципа Паули и объяснение периодической системы Менделеева – новые большие успехи теории атома Бора. Однако они по-прежнему не означали, что теорию можно считать удовлетворительной.

Во-первых, сами постулаты Бора имели характер непонятных, ниоткуда не следуемых утверждений, которые должны были бы получить свое обоснование.

Во-вторых, помимо основных постулатов теория содержала ряд других принципов: условия квантования, принцип соответствия, принцип Паули и т. д. Все они также нуждались в обосновании.

Наконец, теория дала многое для выяснения строения атома и атомных спектров и т. д., однако никакие попытки теоретически рассчитать даже такой, казалось бы, простой атом, как атом гелия, не привели к успеху.