|
100 великих научных открытий
Дмитрий Самин
Основы мироздания
Планетарная модель атома
В
первой атомной теории Дальтона предполагалось, что мир состоит из
определенного числа атомов — элементарных кирпичиков — с характерными
свойствами, вечными и неизменными.
Эти
представления решительно изменились после открытия электрона. Все атомы
должны содержать электроны. Но как электроны в них расположены? Физики могли
лишь философствовать, исходя из своих познаний в области классической физики,
и постепенно все точки зрения сошлись на одной модели, предложенной Дж.Дж.
Томсоном. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного
вещества, внутрь которого вкраплены электроны (возможно, они находятся в
интенсивном движении), так что атом напоминает пудинг с изюмом. Томсоновскую
модель атома нельзя было непосредственно проверить, но в ее пользу
свидетельствовали всевозможные аналогии.
Немецкий
физик Филипп Ленард в 1903 году предложил модель «пустого» атома, внутри
которого «летают» какие-то никем не обнаруженные нейтральные частицы,
составленные из взаимно уравновешенных положительных и отрицательных зарядов.
Ленард даже дал название для своих несуществующих частиц — динамиды...
Однако
единственной, право на существование которой доказывалось строгими, простыми
и красивыми опытами, стала модель Резерфорда.
Эрнест
Резерфорд (1871—1937) родился вблизи города Нелсон (Новая Зеландия) в семье
переселенца из Шотландии. Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила
семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции
Нельсон, куда поступил в 1887 году. Через два года Эрнест сдал экзамен в
Кентерберийский колледж — филиал Новозеландского университета в Крайчестере.
В колледже на Резерфорда оказали большое влияние его учителя: преподававший
физику и химию Э. У. Бикертон и математик Дж.Х.Х. Кук.
После
того как в 1892 году Резерфорду была присуждена степень бакалавра
гуманитарных наук, он остался в Кентербери-колледже и продолжил свои занятия
благодаря полученной стипендии по математике. На следующий год он стал
магистром гуманитарных наук, лучше всех сдав экзамены по математике и физике.
В 1894
году в «Известиях философского института Новой Зеландии» появилась его первая
печатная работа «Намагничение железа высоко-частотными разрядами». В 1895
году оказалась вакантной стипендия для получения научного образования, первый
кандидат на эту стипендию отказался по семейным обстоятельствам, вторым
кандидатом был Резерфорд. Приехав в Англию, Резерфорд получил приглашение Дж.Дж.
Томсона работать в Кембридже в лаборатории Кавендиша.
В 1898
году Резерфорд принял место профессора Макгиллского университета в Монреале,
где начал серию важных экспериментов, касающихся радиоактивного излучения
элемента урана. В Канаде он сделал фундаментальные открытия: им была открыта
эманация тория и разгадана природа так называемой «индуцированной
радиоактивности»; совместно с Содди он открыл радиоактивный распад и его
закон. Здесь им была написана книга «Радиоактивность».
В своей
классической работе Резерфорд и Содди коснулись фундаментального вопроса об
энергии радиоактивных превращений. Подсчитывая энергию испускаемых радием к-частиц,
они приходят к выводу, что «энергия радиоактивных превращений, по крайней
мере, в 20 000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого
молекулярного превращения». Резерфорд и Содди. сделали вывод, что «энергия,
скрытая в атоме, во много раз больше энергии, освобождающейся при обычном
химическом превращении». Эта огромная энергия, по их мнению, должна учитываться
«при объяснении явлений космической физики». В частности, постоянство
солнечной энергии можно объяснить тем, «что на Солнце идут процессы
субатомного превращения».
Огромный
размах научной работы Резерфорда в Монреале — им было опубликовано как лично,
так и совместно с другими учеными 66 статей, не считая книги
«Радиоактивность», — принес Резерфорду славу первоклассного исследователя. Он
получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд
вернулся в Европу. Начался новый период его жизни.
В 1908
году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенные
им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ».
В
следующем году Резерфорд предложил Эрнесту Марсдену выяснить, могут ли альфы-частицы
отражаться от золотой фольги. Резерфорд был абсолютно убежден в том, что
массивные альфа-частицы должны испытывать лишь незначительные отклонения,
проходя сквозь золотую фольгу.
Большинство
из них действительно проходило сквозь фольгу, лишь слабо отклоняясь. Но
некоторые альфа-частицы — примерно одна из 20 000, — как заметил Марсден, —
отклонялись на углы больше 90 градусов. Марсден даже боялся рассказать об
этом Резерфорду и тщательно удостоверился сначала в том, что в его опытах не
было ошибки. Резерфорд почти не поверил в этот результат наблюдений.
Много
лет спустя Резерфорд вспоминал: «Это было, пожалуй, самым невероятным
событием, которое я когда-либо переживал в моей жизни. Это было столь же
неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной
бумаги 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас».
Но в
неправдоподобное пришлось поверить, и в 1911 году Резерфорд пришел к
убеждению, что результаты опытов по рассеянию альфа-частиц золотой фольгой
можно объяснить, только предположив, что альфа-частицы проходят на весьма
малом расстоянии от других положительно заряженных частиц с размерами, много
меньшими размеров атомов. Атом золота должен состоять из малого
положительного заряженного ядра и окружающих его электронов. Это было
рождением идеи об атомном ядре и новой отрасли физики — ядерной физики.
Эта
идея была к 1911 году не совсем нова. Ее выдвигали ранее Джонстон Стони,
японский физик Нагаока и некоторые другие ученые. Но все эти гипотезы были
сугубо умозрительными, тогда как идея Резерфорда основывалась на
эксперименте.
Результаты
опытов, которые привели Резерфорда к мысли о планетарном строении атома,
ученый изложил в большой статье «Рассеяние альфа- и бета-частиц в Веществе и
Структура Атома», опубликованной в мае 1911 года в английском «Философском
журнале». Физики всего мира могли теперь оценить еще одну, на сей раз
убедительно подтвержденную экспериментально, модель строения атома...
Резерфорд
был неутомим. И тут же предпринял новое исследование: стал определять
количество альфа-частиц, отклоненных фольгой на различные углы в зависимости
от электрического заряда ядер атомов того вещества, из которого сделана
фольга.
Терпение
исследователей было вознаграждено. Анализируя результаты этих опытов, Резерфорд
вывел формулу, связывающую число альфа-частиц, отклоненных на определенный
угол, с зарядом ядер вещества фольги-мишени. Теперь можно было из опытов по
рассеянию альфа-частиц определять природу материала мишени. В руках
исследователей появился первый ядерный метод химического анализа!
Ученые
сравнили между собой поведение мишеней из различных материалов и установили,
что чем больше заряд ядра, тем сильнее отклоняются альфа-частицы от
прямолинейного пути. И здесь впервые физические эксперименты приоткрыли
завесу тайны над периодическим законом элементов.
Из
опытов Резерфорда следовало, что если бы Менделеев расположил элементы в ряд
по мере увеличения заряда их ядер, то никаких перестановок делать не
потребовалось бы! Физики внесли уточнение в формулировку периодического
закона, химические свойства элементов находятся в периодической зависимости
не от атомной массы элементов, а от электрического заряда их ядер. Именно в
соответствии с величиной заряда ядер элементы выстраиваются в том порядке, в
котором расставил их Менделеев, опираясь на свои энциклопедические знания
химических свойств элементов...
Что же
удерживает электрон от падения на массивное ядро? Конечно, быстрое вращение
вокруг него. Но в процессе вращения с ускорением в поле ядра электрон должен
часть своей энергии излучать во все стороны и, постепенно тормозясь, все же
упасть на ядро. Эта мысль не давала покоя авторам планетарной модели атома.
Очередное препятствие на пути новой физической модели, казалось, должно было
разрушить всю с таким трудом построенную и доказанную четкими опытами картину
атомной структуры...
Резерфорд
был уверен, что решение найдется, но он не мог предполагать, что это
произойдет так скоро. Дефект планетарной модели атома исправит датский физик
Нильс Бор.
Почти в
то же время, когда ученые мира получили номер «Философского журнала» со
статьей Резерфорда о строении атома, в Копенгагенском университете успешно
защитил диссертацию по электронной теории металлов двадцатипятилетний Нильс
Бор.
Датский
физик Нильс Хенрик Давид Бор (1885—1962) родился в Копенгагене и был вторым
из трех детей Кристиана Бора и Эллен (в девичестве Адлер) Бор. Его отец был
известным профессором физиологии в Копенгагенском университете. Он учился в Гаммельхольмской
грамматической школе в Копенгагене и окончил ее в 1903 году. Бор и его брат
Харальд, который стал известным математиком, в школьные годы были заядлыми
футболистами. Позднее Нильс увлекался катанием на лыжах и парусным спортом.
Если в
школе Нильса Бора в общем считали учеником обыкновенных способностей, то в
Копенгагенском университете его талант очень скоро заставил о себе
заговорить. Нильса признавали необычайно способным исследователем. Его
дипломный проект, в котором он определял поверхностное натяжение воды по
вибрации водяной струи, принес ему золотую медаль Датской королевской
академии наук. В 1907 году он стал бакалавром. Степень магистра он получил в
Копенгагенском университете в 1909 году. Его докторская диссертация по теории
электронов в металлах считалась мастерским теоретическим исследованием.
В 1911
году Бор решил поехать в Кембридж, чтобы несколько месяцев поработать в
лаборатории Дж. Дж. Томсона, первооткрывателя электрона. Мать Нильса и его
брат Харальд одобрили эту идею. Не очень рада была, быть может, его невеста
Маргарет, но и она согласилась.
Бор
тогда мучительно размышлял над моделью Резерфорда и искал убедительные
объяснения тому, что с очевидностью происходит в природе вопреки всем
сомнениям: электроны, не падая на ядро и не улетая от него, постоянно
вращаются вокруг своего ядра. Вот что пишут в книге «Биография атома» К. Манолов
и В. Тютюнник:
«Если у
водорода только один электрон, каким образом можно объяснить тот факт, что он
излучает несколько различных по длине волны световых лучей?» — думал Бор. Он
вновь возвратился к теории Никольсона. Блестящее согласие между вычисленными
и наблюдаемыми значениями отношений длин волн спектров является сильным
аргументом в пользу этой теории.
Однако Никольсон
отождествляет частоту излучения с частотой колебаний механической системы. Но
системы, в которых частота является функцией энергии, не могут испускать
конечного количества однородного излучения, так как при излучении частота их
будет меняться.
Кроме
того, системы, рассчитанные Николь-соном, будут неустойчивы при некоторых
формах колебаний. И, наконец, теория Никольсона не может объяснить сериальные
законы Бальмера и Ридберга.
— Хансен,
мне кажется, ответ есть! — сказал Бор. — С помощью выведенного мною условия
устойчивости орбиты электрона в атоме можно рассчитать скорость движения
электрона по орбите, ее радиус и полную энергию электрона на любой орбите.
Причем все формулы содержат один и тот же множитель, так называемое квантовое
число, которое принимает те же целочисленные значения 1, 2, 3, 4 и т.д.
Каждому из этих чисел соответствует определенный радиус орбиты... — Бор
немного помолчал и продолжал. — Ну конечно же, теперь все ясно. Атом может
существовать, не излучая энергии, только в определенных стационарных
состояниях, каждое из которых характеризуется своим значением энергии. Если
электрон переходит с одной орбиты на другую, атом либо испускает, либо
поглощает энергию в виде особых порций — квантов!..
— Так
вот в чем секрет! — воскликнул Хансен. — Значит, спектр атома отражает его
строение!
—
Теперь все становится на свои места. Ясно, почему атом водорода испускает
несколько видов лучей. Если пронумеруем орбиты, начиная с самой близкой к
ядру, то можно сказать, что электрон перескакивает с четвертой на первую, с
третьей на первую, с третьей на вторую орбиту и т. д. Каждый перескок
сопровождается излучением света соответствующей длины волны. Очень надеюсь,
что мне удастся найти и количественную зависимость...»
В 1913
году Нильс Бор опубликовал результаты длительных размышлений и расчетов,
важнейшие из которых стали с тех пор именоваться постулатами Бора: в атоме
всегда существует большое число устойчивых и строго определенных орбит, по
которым электрон может мчаться бесконечно долго, ибо все силы, действующие на
него, оказываются уравновешенными; электрон может переходить в атоме только с
одной устойчивой орбиты на другую, столь же устойчивую. Если при таком
переходе электрон удаляется от ядра, то необходимо сообщить ему извне
некоторое количество энергии, равное разнице в энергетическом запасе
электрона на верхней и нижней орбите. Если электрон приближается к ядру, то
лишнюю энергию он «сбрасывает» в виде излучения...
Вероятно,
постулаты Бора заняли бы скромное место среди ряда интересных объяснений
новых физических фактов, добытых Резерфор-дом, если бы не одно немаловажное
обстоятельство. Бор с помощью найденных им соотношений сумел рассчитать
радиусы «разрешенных» орбит для электрона в атоме водорода. Зная разницу
между энергиями электрона на этих орбитах, можно было построить кривую,
описывающую спектр излучения водорода в различных возбужденных состояниях и
определить, волны какой длины должен особенно охотно испускать атом водорода,
если подводить к нему извне избыточную энергию, например, с помощью яркого
света ртутной лампы. Эта теоретическая кривая полностью совпала со спектром
излучения возбужденных атомов водорода, измеренным швейцарским ученым Я. Бальмером
еще в 1885 году!
Планетарная
модель атома получила могучее подкрепление, у Резерфорда и Бора появлялось
все больше и больше сторонников.
|
