Все тела, которые встречаются в живой и неживой природе, состоят из самых мелких частиц – атомов. Первый, то высказал мнение об этом, был древнегреческий философ Демокрит. Именно он сказал, что атом является мельчайшей частицей, которая образует вещество. Только в конце XIX столетия были сделаны открытия, которые показали сложность внутреннего строения атома, а также то, что они разлагаются на более мелкие частички, и поэтому в Демокритовском смысле «атомами» не являются. Но, несмотря на это, термин используется в современной физике и химии, хотя не соответствует этимологии и современным представлениям о строении атома.
Первые представления о строении атома
Демокрит полагал, что если разделить яблоко на две половины, одну из которых еще на несколько частей, и продолжить такое деление до тех пор, пока результат деления перестанет быть яблоком, то можно получить мельчайшую частицу, которая сохранит свойства фрукта и будет являться его атомом.
Философ утверждал, что:
- атомы существуют вечно;
- атомы настолько мизерны, что их размеры невозможно измерить;
- все атомы одинаковые, но отличаются внешне (атомы воды гладкие, поэтому все жидкости текучи, атомы железа имеют зубчики, которыми они крепятся друг к другу).
Группа древнегреческих философов, которые поддерживали тот взгляд, что существуют крошечные неделимые частички, называлась атомистами.
Атомизм – это натурфилософская теория, в соответствии с которой чувственно-воспринимаемые материальные вещи состояли из химически неделимых частиц, что назывались атомами.
Атомная теория – это теория физической науки, которая предполагала, что любое тело и вещество в окружающем мире состоит из мельчайших частиц – атомов, которые крепятся между собой электрическими и ядерными силами.
Некоторые теоретики поддерживали атомизм, но под атомами подразумевали фундаментальные частицы, что далее были неделимы. Древнегреческие философы средних времен полагали, что окружающие их вещи состояли из двух частей: неделимых атомов, которые каким-то непонятным образом сцеплены друг с другом, и пространства между ними. Атомы тогда считались неразрушимыми и вечными частицами – корпускулами. Эта позиция нашла отражение в трудах Демокрита или Левкиппа, однако никакого доказательства правоты этой теории в то время не было представлено.
Основы первой атомной теории строения вещества
Физик Дальтон Джон в 1806 году возродил атомизм и доказал реальность существования атомов. Именно он сказал, что атомы являются химическими элементами, которые не создаются заново, не разделяются на более мелкие частицы и не уничтожаются путем каких-либо химических превращений. Он полагал, что любая химическая реакция просто меняет порядок группировки этих атомов. Также этот ученый ввел понятие «атомный вес» и впервые рассчитал атомные массы множества химических элементов. Физик Дальтон Джон составил первую таблицу относительных атомных весов, заложив основу первой атомной теории строения вещества.
Физик Дальтон Джон был одним из самых уважаемых и знаменитым ученых того времени, он стал широко известным благодаря новаторским работам в различных областях физической и химической науки. В 1794 году он впервые провел исследования и описал дефект зрения, которым и сам страдал, - цветовая слепота, которая спустя некоторое время была названа дальтонизмом. В 1801 году он открыл закон парциальных давлений, в 1802 году – закон растворимости газов в жидкостях, что получил название Генри-Дальтона. В 1803 году он установил закон кратных отношений и обнаружил явление полимеризации на примере бутилена и этилена. Но, несмотря на множество открытий, вопрос о строении атомов не возникал, поскольку они считались неделимыми.
Английский физик Дж. Томсон в 1897 году, изучая катодные лучи, сделал вывод, что атомы любого вещества состоят из отрицательно заряженных частиц, которые он назвал электронами. Большой заслугой Томсона считается доказательство того, что все частички, что образуют катодные лучи, тождественны и являются составляющими вещества. Именно он в 1904 году предположил первую модель атома «пудинг с изюмом».
По мнению Томсона, положительный атомный заряд занимает весь объем атома и распределяется там с постоянной плотностью. В той сфере, что заряжена положительно, располагается несколько электронов, поэтому атом напоминает кекс, в котором электроны играют роль изюминок.
Датский физик Нильс Бор полагал, что поведение частиц нельзя описывать такими же законами, что и макроскопические тела. Он предположил, что величины, которые характеризуют микромир, должны квантоваться, иными словами, они могут принимать только некоторые дискретные значения.
Бор считал, что законы микромира – это квантовые законы. В начале XX столетия эти законы еще не были установлены наукой. Ученый сформулировал их в виде трех постулатов. Его теория спустя некоторое время привела к созданию тройной теории движения микрочастиц – квантовой механики.
Первый постулат Бора: атомная система может существовать только в особых квантовых или стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарном состоянии атом энергию не излучает.
Второй постулат Бора: излучение света происходит только при переходе атома из стационарного состояния с большой энергией в иное стационарное состояние с малой энергией.
Квантовая теория строения атома
Квантовая теория сменила постулаты Бора. Она учитывает волновые свойства электронов и других элементарных элементов, которые образуют атом.
Основу современной теории атома составляют следующие положения.
Каждый электрон имеет корпускулярно-волновую природу. Он ведет себя как частица и как волна одновременно. Электрон обладает определенным зарядом и массой, в то же время он проявляет волновые свойства во время движения (например, характеризуется способностью к дифракции). Длина волны электрона и его скорость связываются отношением де Бройля:
$\lambda = \frac {h}{mv}$, где ${mv}$ - это масса электрона.
Для любого электрона невозможно одновременно точно измерить скорость и координату. Чем точнее измеряется скорость, тем больше существует неопределенности в координате. Принцип неопределенности Гейзенберга математическим выражением можно описать так:
$\Delta x m \Delta v = \frac {h}{2}$, где:
- $\Delta x$ - это неопределенность положения координаты;
- $\Delta v$ - это погрешность измерения скорости.
В атоме электрон не движется по определенной траектории, а располагается в любой части около ядерного пространства. Но вероятность его нахождения в различных частях этого пространства не одинакова. Пространство около ядра, в котором вероятность нахождения электронов велика, называется орбиталью.
Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов. Число протонов в ядре приравнивается порядковому номеру элемента, а сумма чисел нейтронов и протонов равно его массовому числу.
Последнее положение первой квантовой теории атома было сформулировано после того, как Резерфорд в 1920 году открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик — нейтрон. Положения, которые описаны выше, дали начало новой теории, что раскрывает движение частиц более детально – квантовой механики. Наибольший вклад в развитие квантовой теории атома внес Л. де Бройль, австриец Шредингер, немец Гейзенберг, англичанин Дирак. Впоследствии каждый из этих ученых был удостоен Нобелевской премии.
Математически квантовая механика является очень сложной теорией. Однако главная сложность заключается не в этом. Процессы, что описываются квантовой механикой (процессы микромира), недоступны для восприятия органами чувств человека. Люди не имеют возможности представить их наглядно, поскольку они кардинально отличаются от тех макроскопических явлений, которые на протяжении миллиона лет наблюдало человечество.
