Абсолютно все тела живой и неживой природы, несмотря на их строение и разнообразие, включают в себя мельчайшие частицы — атомы. Первым, кто высказал научное предположение об этом, считается философ Древней Греции Демокрит. Именно этот ученый определил атом как мельчайший неделимый элемент, который образует вещество.
Только в конце XIX столетия были сделаны уникальные открытия, которые смогли продемонстрировать сложность строения указанного элемента, распадающейся на более мелкие элементарные частицы. Тем не менее, это определение широко применяется в современной физике и химии, несмотря на несовпадение его этимологии нынешним представлениям о строении атома.
Демокрит утверждал, что если разделить яблоко на две равные половины, а затем одну из них еще на две части, и продолжать осуществлять деление подобным образом до того момента, как объект исследования перестанет быть яблоком, то мельчайшая частица будет выступать в данном случае атомом яблока.
Группу греческих мыслителей, которые поддерживали теорию о существовании аналогичных крошечных неделимых частиц, называли атомистами.
Атомизм — натурфилософская уникальная гипотеза, которая предполагала, что все чувственно материальные вещи состоят из определенных химически неделимых частиц — атомов.
В современной науке вопрос об атомизме считается до сих пор открытым. Некоторые теоретики выступают за принципы атомизма, однако под атомами подразумевают конкретные фундаментальные частицы, которые далее невозможно разделить.
Квантовая гипотеза строения атома
В основе квантовой теории строения атома можно выделить следующие ключевые положения:
- электрон имеет двойственную природу, следовательно, может вести себя и как волна, и как частица, обладающая определенным зарядом и массой;
- точно и одновременно измерить скорость и координату для электрона невозможно одновременно, так как, чем точнее будет данный показатель, тем больше неопределенности появится в самой координате;
- электрон в атоме не может двигаться по определенным траекториям, а может располагаться в любой части ядерного пространства, но возможность его нахождения в разных местах такой среды неодинакова.
Стоит отметить, что пространство вокруг ядра, в котором возможно наблюдать нахождение электрона с большой вероятностью, называют орбиталью.
Правильное формулирование вышеуказанных основ в квантовой теории строения атома составляют суть новой концепции, описывающей постоянное движение микрочастиц, — квантовой механики. Наибольший вклад в развитие указанной гипотезы внесли такие ученые: немец В.Гейзенберг, француз Л. де Бройль, австриец Э.Шредингер и англичанин П.Дирак. В результате своей интеллектуальной деятельности каждый из этих физиков был удостоен Нобелевской премии.
Квантовая механика — очень сложная теория с математической точки зрения, процессы которой описывают принципы построения микромира и являются недоступными не только восприятию органами чувств человека, но и воображению.
Основы атомной теории строения вещества
Рисунок 1. Квантовая модель строения атома. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В начале 1808 года известный физик Дальтон Джон возродил атомизм как научное течение в физике, доказав действительность существования атомов. Исследователь считал, что мельчайшие частицы представляют собой элементарные химические элементы, которые нельзя заново создать, разделить на более мелкие элементы или же ликвидировать посредством физических превращений. Любая химическая реакция способна только изменить порядок соборности атомов.
Джон Дальтон представил обществу понятие «атомный вес», а затем первым рассчитал атомные массы целого ряда элементов и разработал первую таблицу их относительных координат, заложив своими работами хорошую основу атомной теории строения элементов.
Физик по праву считается одним из самых уважаемых и знаменитых ученых своего времени, который приобрел невероятную популярность благодаря своим новаторским, уникальным работам в разных сферах знания.
В 1794 году он смог провести многочисленные исследования и описать цветовую слепоту - дефект зрения, позже официально названный в его честь дальтонизмом.
Ученый также открыл закон парциальных явлений и систему равномерного расширения газов при определенной температуре нагревания, концепцию растворимости частиц в жидкости и установил закон кратных систематических отношений, обнаружив процесс полимеризации на примере бутилена и этилена.
В те времена вопрос о внутреннем строении атомом никогда не возникал, так как эти мельчайшие частицы считались неделимыми. В 1897 г. английский исследователь Дж. Томсон исследуя катодные световые лучи, определил, что атомы любого химического элемента содержат только отрицательно заряженные частицы, названные электронами. Огромной заслугой Томсона в области физики стало доказательство того, что все вещества, которые формируют катодные лучи, входят в состав атома и тождественны друг другу.
По утверждениям данного ученого, положительный заряд в атоме занимает практически весь объем этой частицы и распределен в полном объеме с постоянной плотностью, следовательно, в положительно заряженной атмосфере находится сразу несколько электронов, так что атом можно сравнить с кексом, в котором роль изюминок играют электроны.
Планетарная модель атома
Квантовая теория строения атомов имела огромное количество трактовок и методов использования. Электроны, которые входят в состав атомов, в результате критической массы не могут кардинально изменить общую траекторию $α$-частицы. Рассеяние или изменение направления движения элементов, может вызвать только положительно заряженная часть атома с тяжелой массой.
Вскоре стало понятно, что огромное количество $α$-частиц регулярно проходит через тонкий слой металла, однако при этом практически не испытывает отклонений в траектории движения. Такое небольшое количество частиц постепенно отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Эти соображения привели ученых к выводу, что атом практически пустой, и вся его положительная энергия сосредоточена в крайне малом объеме. Эту часть атома в науке называют атомным ядром.
Так появилась первая планетарная модель атома:
- в центре самого атома расположено положительно заряженное ядро, которое занимает ничтожно малую часть пространства внутри этого вещества;
- весь положительный заряд и практически вся масса атома сосредоточены и взаимосвязаны в его ядре;
- вокруг ядра постоянно вращаются электроны, количество которых равно положительному заряду ядра.
Однако на основе данной модели невозможно объяснить факт существования самого атома, его стабильность. Ведь хаотичное движение электронов по орбитам происходит с постоянным и немалым ускорением. Быстро движущийся элемент по законам электродинамики обязан терять энергию и постепенно приближаться к ядру.
Законы микромира и квантовых гипотез в начале 20 столетия еще не были представлены обществу и установлены наукой. Бор смог первым сформулировать их в виде трех известных постулатов, дополняющих атом Резерфорда. Его учение впоследствии привело к возникновению стройной концепции движения микрочастиц — квантовой механики.
