Зарождение атомистической концепции
Атомистическая концепция является наиболее плодотворной и имеет важное значение для понимания природных явлений. Согласно этой концепции, строение материи является прерывистым, дискретным, то есть состоит из мельчайших частиц, называемых атомами.
Атомистическая концепция строения материи была выдвинута еще в эпоху античности Демокритом.
Демокрит и Левкипп ввели само понятие «атом». Становление античного атомизма было тесно связано с проблемой единого и многого, деления и бесконечности, которые широко обсуждались в Элейской школе. Считалось, что атом – это мельчайшее тело, вследствие своей малости является неделимым. Атом является пределом деления любого тела. Число атомов бесконечно. Они отличаются величиной, формой и положением в пространстве. Такие свойства атомов обеспечивают разнообразие предметов. Существует лишь атомы и пустота.
Признание пустоты наряду с атомами позволило Демокриту избежать проблемы выведения из единого многого, к тому же понятие пустоты обусловливало возможность движения атомов, которое является их неотъемлемым свойством. Возникновение веще представители атомистической концепции объясняли соединением атомов, а их уничтожение – разъединением.
Возрождение атомизма. Модели строения атомов
В 18 веке атомистическая концепция была вновь возрождена Дальтоном, который взял атомный вес водорода, равный единице, и сравнил с водородом атомные веса остальных газов.
Во многом благодаря трудам Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атомов
В 19 веке Д. И. Менделеевым была построена система химических элементов, которая основывалась на их атомном весе.
В конце 19 века начались физические исследования атома. В этот период А. А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Оно состояло в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других. Французские физики Пьер и Мария Кюри продолжили изучение радиоактивности. Ими были открыты новые радиоактивные элементы радий и полоний.
В 1865 году благодаря обнаружению Томсоном электрона началась история изучения строения атома. Электрон – это частица с отрицательным зарядом, которая входит в состав всех атомов.
Ввиду того, что электрон несет отрицательный заряд, а сам атом в целом является электрически нейтральным, было выдвинуто предположение о том, что кроме электрона существует еще и частица с положительным зарядом. Затем, в 1902 году, основываясь на огромной массе положительно заряженной частицы, по сравнению с электроном, Томсон разработал первую модель атома.
Рисунок 1. Модель атома Томсона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В этой модели положительный заряд распределялся в достаточно обширной области, а электроны вкраплены в него. Такая модель строения атома существовала на протяжении 15 лет. В ходе проведенного опыта данная модель не смогла дать объяснение тому, почему радиоактивные вещества испускают частицы с положительным зарядом.
В 1911 году Резерфордом была предложена новая модель атома. Эта модель была похожа на модель солнечной системы. В центре модели располагалось атомное ядро, вокруг которого по своим орбитам движутся электроны. Ядро несет положительный заряд, заряд электронов – отрицательный. Подобно тому, как в Солнечной системе действуют гравитационные силы, в атоме действуют силы электрические.
Рисунок 2. Модель атома Резерфорда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Электрический заряд атома, который численно равен порядковому номеру в периодической системе элементов, уравновешивается суммой зарядов электронов. Таким образом, атом является электрически нейтральным. Однако противоречие этой модели, которое не удавалось преодолеть, заключалось в том, что электроны для удержания устойчивости, должны осуществлять движение вокруг ядра. И одновременно, по законам электродинамики, они должны излучать электромагнитную энергию. Но тогда электроны потеряли бы энергию и упали на ядро.
Еще одно противоречие модели атома Резерфорда состояло в том, что спектр излучения электроны должен быть непрерывным ввиду того, что электрон, приближаясь к ядру, изменял бы свою частоту. Исследования же показали, что атомы излучают энергию только определенных частот, поэтому атомные спектры получили название линейчатых. То есть, планетарная модель, предложенная Резерфордом, является несовместимой с электродинамикой.
Постулаты Бора. Становление квантовой механики
В 1913 году Бор при решении проблемы строения атома и изучении характеристики атомных спектров использовал принцип квантования. Новая модель атома, предложенная Бором, основывалась на модели Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома.
Бором была выдвинута гипотеза, основанная на двух несовместимых с классической физикой постулатах:
- в каждом атоме есть несколько стационарных состояний (орбит), в которых электрон может существовать не излучая
- в процессе перехода электрона из одного стационарного состояния в другое, атом либо излучает, либо поглощает порцию энергии.
Эти два постулата, сформулированных Бором, дают объяснение устойчивости атомов. Теория Бора позволила точно описать атом водорода, который состоит из одного электрона и одного протона.
При распространении этой теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с рядом неопределенных трудностей. В ходе развития квантовой теории было установлено, что эти разногласия в большей степени связаны с волновыми свойствами электрона. Ввиду волновой природы электроны и заряды электронов не равномерно «размазаны» по атому, а таким образом, что в определенных точках электронная плотность заряда, усредненная по времени, больше, а в других точках – меньше.
Теория, предложенная Бором, представляет собой некую пограничную полосу первого этапа развития современной физической науки. Это была последняя попытка описать строение атома с точки зрения классической физики. Постулаты Бора показали, что классическая физика не может дать объяснения даже простейших опытов, связанных со строением атома.
Развитие квантовой механики позволило получить ответы на те вопросы, которые не могла объяснить классическая физика.
Развитие атомистической концепции в дальнейшем было связано с изучением элементарных частиц. Проблема строения атомов была решена благодаря разработке кварковой модели. Каждый атом состоит из ядра и электронной оболочки. Число протонов в ядре соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева.
