Атомная физика – это раздел физики, который изучает строение и свойства атомов. Атомная физика возникла еще в конце XIX - начале XX столетия, когда было установлено, что атом состоит из электронов и ядра, которые связаны электрическими силами.
Атомная физика на начальных этапах своего развития охватывала вопросы, которые связаны со строением атомного ядра. Уже в 30-е гг. стало известно, что природа взаимодействий в атомном ядре не такая, как во внешней оболочке атома. В 40-е гг. атомная физика стала отдельной областью физической науки, а в 50-е гг. от нее образовалось новое направление – физика высоких энергий или физика элементарных частиц.
Предыстория атомной физики: учение об атомах XVII-XIX столетий
Мысль о существовании атомов как о неделимых частицах сформировалась еще в глубокой древности. Идеи атомизма впервые были высказаны древнегреческими мыслителями Эпикуром и Демокритом. В XVII столетии они возродились при участии П. Гассенди и английского химика Р. Бойля. Представления об атомах, которые были в XVII - XVIII столетии, были мало определенными.
Тогда атомы считались неизменными и неделимыми частицами, которые отличались друг от друга лишь размером и формой. Сочетание атомов в том или ином порядке образовали различные тела, а движение атомов были обусловлены теми процессами, что происходили внутри них. Многие ученые полагали, что атомы могут сцепляться в сложные частицы, что называются корпускулы. Но атомам не приписывали определенные химические и физические свойства. Атомистика того времени носила абстрактный характер.
В конце XVIII столетия из-за стремительного развития химии был создан фундамент для количественной разработки атомной физики. В 1803 году Дж. Дальтон, который был английским ученым, впервые стал рассматривать атом как наименьшую частицу химических элементов, который отличался от других атомов своей массой. Дальтон считал, что атомная масса является основной характеристикой атома. Он полагал, что все химические соединения представляют собой совокупность составных атомов, которые содержат определенное число атомов каждого элемента.
Все химические реакции – это лишь перегруппировка атомов в новые, более сложные отношения. Итальянские учение в процессе проведения многочисленных исследований провели четкую грань между молекулой и атомом.
В XIX столетии вместе с химическими свойствами атомов изучались их оптические свойства. Именно тогда было установлено, что каждый элемент имеет свой оптический спектр. Поэтому в 1860 году немецкими физиками Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном был открыт спектральный анализ.
Атом тогда выступал в качестве частицы, что имеет определенные химические и физические свойства. Однако свойства атома считались необъяснимыми. Тогда считалось, что число видов атомов случайно и между ними не существует связи.
Однако со временем выяснялось, что есть определенные групп элементов, которые обладают идентичными химическими свойствами:
- одинаковой валентностью;
- похожими законами изменения их физических свойств: сжимаемость, температура плавления и прочие.
Д. И. Менделеев в 1869 году разработал и создал периодическую систему элементов. Он утверждал, что с увеличением атомной массы элемента, его физические и химические свойства повторяются.
Именно периодическая система элементов Менделеева доказала наличие связи между различными типами атомов. Отсюда следует вывод, что атомы имеют сложное строение, которое может меняться вместе с изменением атомной массы. Раскрытие структуры атома – это ключевая проблема в физике и химии.
Рисунок 1. Краткая история развития атомной физики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
История возникновения атомной физики
Важным событием в науке, от которого берет свое начало атомная физика, стало открытие радиоактивности и электрона. В процессе исследования появления электрического тока сквозь разреженные газы были лучи, что испускались катодом разрядной трубки.
Было обнаружено, что данные катодные лучи состояли из отрицательно заряженных частиц, которые названы электронами. В 1897 году физик Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряда данных частиц к их массе. Также было обнаружено, что металлы при сильном нагревании испускали электроны.
Исходя из этого был сделан вывод, что электроны являются неотъемлемой частью всех атомов. Нейтральные атомы также должны содержать и положительно заряженные частицы.
Положительно заряженные атомы были обнаружены при исследовании электрических зарядов. Теория голландского физика Х. Лоренца объясняла представление об атоме как о системе заряженных частиц: в процессе колебания внутриатомных зарядов возникает электромагнитное излучение. Подтверждение это получило при исследовании действия магнитного поля на спектры атома.
Французские ученые М. Склодовская-Кюри и П. Кюри окончательно опровергли представления о неделимости атома. В процессе изучения радиоактивности было установлено, что атомы испытывают превращения двух видов:
- Когда испускается $a$-частица, атом элемента трансформируется в атом другого радиоактивного химического элемента, который располагается в периодической системе Менделеева на две клетки левее. Например, атом водорода превращается в атом свинца.
- Когда испускается $b$-частица, атом радиоактивного химического элемента трансформируется в атом, который располагается на одну клетку правее. Например, атом висмута превращается в атом полония.
Благодаря результатам исследования свойств и радиоактивности атома, были построены его конкретные модели. В 1903 году Томсоном была предложена модель, в которой атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую были вкраплены электроны.
В атоме они удерживались благодаря тому, что силы притяжения усовершенствовались силами их взаимного отталкивания. Модель Томсона популярно объясняла возможности испускания, поглощения и рассеивания света. При смещении электронов возникала «упругая» сила, которая стремилась установить равновесие. Но томсоновская модель была неудовлетворительной. На ее основе удалось объяснить результат английского физика Резерфорда, который проводил опыты по рассеянию a-частиц атомами.
Однако планетарная модель столкнулась с некоторыми сложностями. В соответствии с классической электродинамикой, заряженная частица непрерывно излучала электромагнитную энергию. Поэтому электроны, которые двигались вокруг ядра, должны были постоянно тратить свою энергию на излучение. На основе модели Резерфорда можно объяснить законы фотоэлектрических явлений и законы теплового излучения, которые возникают при взаимодействии излучения с химическим веществом. Однако история атомной физики на этих примерах не заканчивается, поскольку она находится на этапе развития и по сегодняшний день.
