При изучении природы материи наибольший интерес составляет вопрос, из чего, собственно говоря, состоит эта материя. И ровно так же, как кирпичная стенка состоит из кирпичей, материя тоже из чего-то состоит. Это логично.
В процессе поиска наименьшего кирпичика, который является структурной единицей для строения материи, появлялись самые разные теории. Но одной из самых популярных, главных и на сегодняшний день уже доказанных теорий является теория о существовании атома. И у атома тоже пытались найти мельчайшую частичку, если забегать тут вперёд.
Но сегодня нас интересует другой вопрос. Можем ли мы однозначно сказать, что атом устроен таким-то образом?
Ещё философ Демокрит предполагал, что есть некоторая мельчайшая неделимая частичка, которую можно вытащить из структуры материи и которую можно назвать тем самым мельчайшим кирпичиком, который является причиной появления материи и является ее главной структурной единицей.
Но как устроен сам атом? Давайте разберем наиболее популярные модели.
Модель Томсона
Первая модель устройства атома — это пуддинг с изюмом.
Логика простая. Сам по себе Томпсон — это физик, который занимался исследованием вопроса. Именно ему принадлежит открытие электрона. Его гипотетическая теория подтвердилась, и он смог зафиксировать некоторые электроны, которые проходили через катодную трубку. Сохранились фотографии с тех времен, и, в общем-то, Томсон по праву считается человеком, который не только нашел электрон, но смог и предположить, какую роль он играет в атомном строении.
Если раньше предполагалось, что атомы — это некоторые неделимые, то с момента появления теории Томсона атом начал представляться как некоторая единица, которая тоже из чего-то состоит. Ну а пуддин гс изюмом — это очень интересная метафора, очень интересное сравнение. По представлениям Томпсона атом состоит из положительного большого заряда, но поскольку у нас всё должно быть уравновешено, и ядро атома, состоящее только из положительного заряда, тоже требует баланса.
Даже исходя из знаний физики того времени, он сказал, что есть ядро, и в нем есть вкрапления, представленные электронными отрицательно заряженными частичками. Вот и получился пудинг с изюмом. Получилось положительно заряженное ядро, которое набито электронами, как пудинг, который набит изюмом.
Теория, в общем-то, существовала некоторое время и оказалась более-менее правильной. Однако Резерфорд эту теорию опроверг.
Модель Хонтаро-Нагоаки
Но между тем, между моделью Томпсона и моделью Резерфорда, планетарной моделью атома, существовала еще модель Хонтаро-Нагоаки, которая говорила о том, что атом представляет из себя некоторую структуру, напоминающую Сатурн. То есть в центре находится ядро положительно заряженное, а вокруг ядра бегают электроны. Причем электроны бегают не по орбитам, как это выяснилось дальше, а они расположены подобно кольцам Сатурна и образуют непрерывные замкнутые линии, состоящие именно из электронов.
С учётом того, что гипотеза на тот момент была свежая, никто и не предполагал, что автор окажется настолько близок к цели и близок к истине. Но его модель атома была отвергнута, а в дальнейшем получила подтверждение в той или иной степени уже в работах Резерфорда. Было предположение, что модель, которая напоминает Сатурн, обладает некоторой здравой логикой.
Атом Резерфорда
Для того, чтобы подтвердить или опровергнутость гипотезу, был проведён интересный эксперимент. Тут есть некоторая путаница с тем, кто конкретно сделал такие эксперименты, но смысл простой. Золотая фольга облучалась альфа-частицами и наблюдали за рассеиванием частиц. Рассеивание частиц происходило таким образом, что если бы у нас был сплошной материал, как кирпичная стенка, то частицы бы все, альфа-частицы отражались одинаково.
Но на практике получалось, что потоки альфа-частиц, которые попадают на материал и бомбардируют его, отражаются совершенно по-разному. Такое возможно только в том случае, если между частицами атома есть некоторое расстояние.
Частицы золотой фольги, используемой в опыте, отражают лучи неравномерно. В итоге получается, что если бы было так, как говорит Томпсон, была бы кирпичная стенка, частицы бы отражались одинаково. А поскольку частицы отпрыгивают в разные стороны, у нас никакой кирпичной стенки нет. Кирпичи находятся на некотором расстоянии.
Резерфорд предположил, что атом имеет планетарную модель, когда в центре есть ядро, а вокруг этого ядра по орбиталям кружатся электроны. Однако в дальнейшем выяснилось, что есть серьезные проблемы модели.
Проблема в том, что когда электрон кружится вокруг ядра по некоторой орбите, он должен испускать энергию. Ну а поскольку он испускает энергию, энергия у него кончается. По закону сохранения он потеряет вот этот вот начальный импульс, который у него был, и рано или поздно упадет на ядро. И это одна из главных недоработок модели Резерфорда.
И, в общем-то, как этот вопрос решить? Да никак, на этом модель Резерфорда споткнулась, но потом появился Нильс Бор. Нильс Бор сказал, что, скорее всего, модель атома резерворда более-менее правильная, но нужно сделать некоторые допущения.
Атом Бора
В историю физики эти допущения вошли как постулаты Бора, и фактически модель Резерфорда, расширенная Нильсом Бором, являлась новой моделью атома. Постулаты на самом деле были очень простые. Есть некоторые стационарные состояния, в которых атом ничего не излучает, то есть энергия не тратится, и пока атом в этих состояниях ничего не происходит, энергия не тратится. Однако, энергия начинает испускаться при переходе атома из одного состояния в другое состояние. И именно тогда у нас как раз происходит испускание энергии, причем испускание энергии происходит квантами. Вот и получилось, что модель Нильса Бора открыла в некоторой степени дорогу к квантовой физике. Потому что до этого считалось, что атом непрерывно, постоянно излучает энергию.
Эта энергия должна, собственно, тратиться по этому электронному полетному ядру. Исходя из постулата Бора такого не было. Было обнаружено и наличие квантов энергии. Эти кванты энергии и стали главной ступенью на формировании квантовой физики.
Наличие квантов или пакетов, которыми испускается энергия — это один из важнейших шагов на путь осознания того, что происходит в атоме. Заметьте, все это время мы описываем электрон как частицу. Электрон у нас является как будто бы мячиком. Но параллельно с тем, как развивалось представление о строении атома, еще и развивалось представление о том, что вообще такое частица, что это с физической точки зрения и чем является.
Впоследствии выяснилась очень интересная штука. Вы, наверное, все помните про корпускулярно-волновой дуализм. Это когда у нас свет обладает свойствами частицы и свойствами волны или энергии. Оказалось, что физика, современная физика, представляет электрон уже как энергию, нежели как частицу.
Электрон нельзя представить в виде мячика. Это некоторая волна, функция или энергия, которая обладает свойствами частицы. Иными словами, современная физика представляет электрон не как частицу, как мячик, а как некоторую энергию со свойствами частицы.
На волне этих многочисленных споров появляется ещё и новая модель атома. Новая модель атома называется моделью атома Шрёдингера.
Модель атома Шрёдингера
Про неё совсем не помнят, однако это наиболее актуальная на сегодняшний день модель. Это та модель, которая считается оптимальной. Шрёдингер выдвинул очень простую гипотезу, что электрон — это никакая не частица, а некоторая волна, некоторая функция, которая распределена определённым образом. Электрон — это энергия.
Получилось, что Шрёдингер рассказал, что да, есть у нас ядро атома, стоящее из протонов и нейтронов, окруженное некоторыми непонятными якобы частицами, наверное, можно предположить, что эти частицы являются энергетическим облаком.
Вот так и появилось, что у нас электрон является не частицей, которая вращается по орбите, а является некоторой энергией, которая появляется вокруг атома с некоторой долей вероятности. Вот и получилось, что электронное облако — это не то, чтобы рельсы, по которым электроны двигались, а это некоторое пространство, в котором есть наибольшая вероятность появления электрона. Ну а сам электрон, по представлению Шрёзингера, является стоячей волной, которая обладает энергией.
Вот получилось, что электрон из материального мячика превратился в волновую частицу или в плотность вероятности. Ну а уравнение Шрёдингера описывает то, где электрон теоретически может появиться.
Электрон теперь стал энергией, которая еще и находится по закону вероятности в некоторой точке. А электронная облака это как раз точки, где с наибольшей вероятностью появится электрон. Такое понимание позволило снять многие противоречия, которые существовали в физике. Это, конечно же, убрало понятие волнового дуализма, потому что электрон у нас теперь является энергией. Это избавило от тех проблем, что электрон должен упасть на ядро, потому что, в общем-то, электрона как такового нет.
Это ответило на вопросы, которые появлялись перед Нильсом Бором, когда он говорил про квантоизлучение. Все моменты, которые изучает современная квантовая физика, модель Шрёдингера закрыла. В общем-то, наиболее интересной и актуальной сегодня как раз и является модель атома Шрёдингера.
Но были ли какие-нибудь эксперименты, которые позволили эту модель атома увидеть? На самом деле даже самое современное оборудование не может позволить увидеть модель атома. С некоторой натяжкой и в некоторых сложных устройствах мы можем увидеть, что атом представляет собой некоторую частицу в виде шара.
Такие эксперименты есть, есть такие фотографии, и там мы видим, да, атом как частичку. Ну и, конечно же, субатомные частицы мы тоже не увидим, потому что мы не можем увидеть нормально и сам в себе атом. Однако вот эти вот шарики можно считать вполне себе нормальной существующей моделью атома, а вот эти вот шарики-орбитали появляются как раз-таки в результате появления электронов, электронного облака вокруг этого атома. И в итоге выходит такой кишмиш типо пирога, который, в общем-то, и представляется картинкой, которую мы увидели.
Ну а как тогда вообще говорить, что частицы есть и почему есть некоторое предположение, что субатомные частицы всё-таки существуют? На этот вопрос можно ответить очень просто. Например, есть камера Вильсона.
Это специальное устройство, которое пришло к физикам от метеорологов и оно позволяет наблюдать трек частиц. Если частицы проходят через это устройство, то остается трек, состоящий из пузырьков. Это еще и пузырьковая камера, кстати говоря. И вот именно все субатомные частицы были обнаружены с помощью пузырьковой камеры. Но тут будет справедливый вопрос, а как понять, что трек, который мы видим в камере, оставлен именно той самой частицей?
Стоит вспомнить, что трек частицы напрямую зависит от завихрения, которое появляется у частицы в магнитном поле. Это расчетная величина, и зная некоторые теоретические аспекты, мы вполне можем просчитать, какая частица как будет закручиваться. И именно радиус кривизны траектории позволяет предположить, что мы заметили ту самую частицу.
Ролик на эту тему на моем канале: https://youtu.be/G_Rrkj0Eyco
Поделиться: