Поява і розвиток атомної теорії

Всесвіт – безмежний і нескінченно чарівний. Цілий космос питань, що мучили людей тисячі років. Покоління вчених намагалися збагнути незбагненне. У спробах пояснити походження матерій розмилася межа між наукою і філософією.

Більше 2 тисяч років тому в спробах пояснити таємниці природи грецькі філософи намацали ідею, яка змінила світ – ідею атома, самого маленького неподільного цеглинки природи. Але докази його існування з’явилися нескоро.

Дві тисячі років по тому виявилося, що світ природи підпорядковується своїм законам. Природні явища можна пояснити, описати, іноді – передбачити.

 

атомні моделі

Аналітичні уми пішли ще далі: ставилися досліди, природа виражалася в цифрах, народилася сучасна наукова процедура. Одним з піонерів сучасної науки був Джон Дальтон, який підвів під ідею атома наукове обгрунтування. На відміну від греків, першими припустили його існування, він не хотів займатися порожніми спекуляціями. За допомогою терезів він почав шукати закони хімічних реакцій.

Дальтон визначив елементи як матерію, що складається з однакових атомів, рівних за розміром і атомній вазі. Він представляв їх у вигляді гуртків. «У хімічних реакціях», – говорив він, – «самі атоми не змінюються, вони тільки міняються місцями». Про зв’язок між атомами Дальтон міг тільки гадати, бачити її він ніяк не міг.

Але навіть в той час розмір атома можна було припустити по товщині плівки масла: він повинен бути дуже малим, менше мільйонної частки сантиметра.

19 століття принесло величезний прогрес в науці і техніці. Людина почала користуватися тим, що дізнався про природу. Він здобував копалини і висвітлював темряву. До другої половини століття він виробляв електрику. Хід прогресу був неминучим.

Але до початку 20 століття доказів існування атома не було. Багато авторитетних учених сумнівалися, що атом реальний, а ті, хто в нього вірив, змушені були задовольнятися атомної моделлю з цілісних куль.

Але деякі спостереження їй суперечили. Що зумовлює структуру кристала? Як утворюються хімічні сполуки? Звідки у предметів колір? На ці питання відповіді не було. Все вказувало на те, що атом, незважаючи на його назву, можна розділити, що є ще більш дрібні частинки.

У 1897 році Джозеф Томсон відкрив електрон – частку, яка менше і легше найлегшого атома. У 1904 році Томсон створив модель атома, де найдрібнішим цеглинкою були електрони. За його теорії атом складається з маси позитивно зарядженого речовини, в яку вкраплені негативно заряджені електрони, як родзинки в кекс. Так звана модель «пудинг з родзинками» мала мало наукової цінності, але вона підказала фізикам придивитися до будови атома.

Джозеф Томсон зібрав у своїй лабораторії в Кембриджі багато молодих талантів. Серед них був новозеландець Ернест Резерфорд. У 1911 році Резерфорд прийшов до важливого висновку на основі дослідів з радіоактивністю. Коли золоту фольгу товщиною в сотні атомів бомбардували позитивно зарядженими ядрами гелію, відхилялася лише мала частина часток, більшість же проходило крізь фольгу. З цього Резерфорд зробив висновок, що атоми не можуть бути твердими сферами, в основному вони повинні складатися з порожнечі. Нагоди, коли частинки з чимось стикалися і відскакували назад, були дуже рідкісні. На основі своїх спостережень Резерфорд створив нову модель атома.

Він вважав, що майже вся маса атома зосереджена в позитивно зарядженому ядрі, оточеному електронами. Щоб негативно заряджені електрони не притягнулися до ядра, вони постійно рухаються навколо ядра, як планети навколо Сонця.

Але у моделі Резерфорда був істотний недолік. За законами електродинаміки обертаються електрони втрачали б енергію та падали на ядро. Так що атом не міг існувати.

Але ми живемо у відносно стабільному світі, значить, модель Резерфорда була невірна. У чому вона була помилкова, показав в 1913 році датський фізик Нільс Бор, який працював тоді в лабораторії Резерфорда в Манчестері. Більш точна модель повинна була не тільки пояснити стабільність атома, але і показати, як атом випромінює світло. Вона повинна була пояснити лінії в спектрі світла, що випускається атомним воднем. З цього і почав Бор.

Він приписав різний рівень енергії електронам на різних орбітах: чим більше радіус, тим більше рівень енергії. Якщо електрон падає зі зовнішньої орбіти на внутрішню, він втрачає енергію, випромінюючи її в формі кванта світла, світла конкретної частоти, видимого як чітка лінія в спектрі. Бор говорив, що поки електрон залишається на своїй орбіті, він не випромінює енергію.

Його турбувало те, що він не міг пояснити ці більш-менш довільні допущення. Він міг підкріпити свою модель лише тим, що вона тлумачила спостереження фізиків і пояснювала поведінку принаймні найпростішого атома – водню.

У 1915-1916 роках модель Бора доповнив мюнхенський фізик Арнольд Зоммерфельд, припустивши, що орбіти електронів Еліптичність. З таким поданням про структуру атома можна було пояснити фізичну основу періодичної таблиці елементів.

Взявши за відправну точку водень, можна було обчислити інші елементи, додаючи необхідну кількість електронів. Так знайшлося пояснення періодичної системі: періодичність залежала від розміщення електронів.

 

Технології на основі атомної теорії

Політичні та соціальні потрясіння, пов’язані з нацизмом, змусили багатьох атомних фізиків покинути Європу. Більшість вчених, багато з яких були євреями, бігло в США.

Під час Другої Світової війни атомна фізика почала втрачати невинність. Нільс Бор зміцнив рішучість британців і американців випередити Німеччину в створенні ядерної бомби. Атомні фізики стали ядерними.

180 тисяч чоловік в Америці працювало над атомною бомбою. Вони створили найжахливіша зброя всіх часів.

У 1954 році під Женевою була заснована Європейська організація по ядерних досліджень – CERN, 13 країн об’єднали свої зусилля в спробі розкрити таємниці матерії.

Дивно, що чим менше об’єкт вивчення, тим більше і дорожче експерименти.

На той час було відомо, що ядро ​​атома складається з менших частинок – протонів і нейтронів. Тепер вчені хотіли знайти ще більш дрібні – найосновніші цеглинки матерії.

У величезних прискорювачах частинок електрично заряджені частинки – електрони, протони або ядра легких атомів – розганялися до великій швидкості. Іноді вона наближалася до швидкості світла. Величезні магніти не давали їм збитися з курсу, фокусуючи потік частинок. Зіткнення з іншими частинками давали відомості про їх будову.

Але все частіше ставилося запитання: заради чого всі ці зусилля? Одна з причин – задовольнити цікавість людей і пояснити, що залишилися загадки світу природи.

Але є й інші причини. Такі фундаментальні дослідження мають практичне застосування: надпровідність – явище нульового опору електричному струму – застосовується в медицині. Надпровідні магніти використовують в магніторезонансних дослідженнях.

Лазери давно покинули лабораторії і стали частиною повсякденного життя. Лазерні промені створюють атоми, що випускають світло певної довжини хвилі або кольору. Щоб зрозуміти феномен лазерного світла, ми, як і Нільс Бор, повинні поглянути на енергію, що міститься в електронах атомів. Наприклад, візьмемо окремий кристалик кремнію, зроблений з рідкого металу. Ми знаємо його електричні властивості і можемо змінити їх, додаючи домішки в невеликих кількостях. Так можна створити мікроскопічні ділянки зі специфічними електричними властивостями що дозволяє розмістити мільйони транзисторів на платі завбільшки з поштову марку.

Ця технологія змінила наше життя, і у неї ще є величезний потенціал. Структури стають тонше й складніше, а інструменти – все точніше і досконаліше. Ми можемо сканувати поверхні голками з вістрям з одного атома. Тунельний мікроскоп дозволяє бачити освіти кристалів. Шар за шаром атоми з’єднуються, і кристал об’єднує форму. Та ж технологія дозволяє зробити атоми видимими.

Загалом, сьогодні ми непогано знайомі з атомом, і багато в чому – завдяки батькові сучасної атомної теорії – Нільса Бора.

Посилання на основну публікацію