Атомы и что о них думали в разные времена
Хотел бы я сегодня начать как обычно с «Nanomachines, son!», но в этот раз предлагаю окунуться чуть поглубже. Сегодня уже неоднократно вспоминали старания А. Лавуазье, который все описывал движением мельчайших частиц – атомов. И тут надо отметить, что не он один, корпускулярное описание мирозданья тогда было явно на коне. Вот только что это за атомы такие, и главное, как именно они работают – надо было еще узнать.
Любая историческая справка скажет Вам, что история атомизма начинается с Демокрита, а это почти 2,5 тысячи лет назад. Для него атом являлся неделимой частицей вещества, обладающей истинным бытием, не разрушающейся и не возникающей. И этот подход замечательно работал: цветок источает свои атомы, и мы чувствуем запах; у камня атомы неровные, поэтому держатся друг за друга, а у воды гладкие – поэтому она течет; у огня они острые – поэтому они колют атомы человека и обжигают его. Да, человеческая душа тоже состоит из атомов, поэтому от нее можно отделить кусочек. В общем, очень удобная теория, поэтому и атомы тепла, перетекающие из одного тела в другое, тоже хорошо подходили для описания теплопереноса.
Больше двух тысяч лет этот подход хоть и получал периодические удары, но в целом оставался верен себе. Пока не наступил 1897 год, когда Джозеф Томсон доказал существование электронов, при этом пояснив, что они одинаковые и входят в каждое вещество. А еще предположил, что они меньше атома, т.е. атом можно разделить. И вот тут возникла проблема, поскольку по Демокриту атом – не разрушающаяся частица бытия, а у нас запчасть от него. Значит, все-таки атом разрушается. На этом моменте Демокритовский атом и тот атом, который мы знаем из курса школьной физики или химии окончательно разошлись, при этом сохранив свои одинаковые названия.
Раз атом состоит из частей – нужна новая модель, первый общеизвестный вариант предложил в 1904 г. как раз Дж. Томсон. В литературе за ней закрепилось название «Пудинговая», поскольку она описывала атом как некоторую размазанную по пространству положительно заряженную массу с вкраплениями «изюминок»-электронов (Картинка 1).
В том же 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил свою планетарную модель, по аналогии со строением Сатурна – сверхмассивное ядро и кольца электронов. Однако с размерами ядра и колец были проблемы, поэтому уже в 1908 Нагаока сам отказался от этой теории. Мировое научное сообщество обратило внимание на его работы только после торжества более продвинутой планетарной модели, которую предложил ученик Дж. Томсона – Эрнест Резерфорд.
В 1911 году на основе экспериментальных данных 1909 года других ученых Э. Резерфорд описал атом как крохотное положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны. При этом ядро имеет в сто раз меньший радиус, чем атом, но содержит в себе практически всю массу. Именно эту схему мы знаем как «Планетарную модель атома» или «Модель атома Резерфорда» (Картинка 2). У нее был очень важный недостаток – движущиеся электроны создают электромагнитные волны, а значит, теряют энергию. Тогда они должны со временем упасть на ядро. При этом расчетное время всего 0,01 наносекунды. В 1913 году эту проблему попытался решить Нильс Бор, который зафиксировал орбиты движения электронов. Именно эта модель обычно преподается в старшей школе и иногда даже называется моделью атома Резерфорда, хотя ее названия «Боровская модель атома» или «Модель атома Бора-Резерфорда».
Однако она тоже не была лишена недостатков. Во-первых, это достаточно странный симбиоз классической (для движения электрона) и квантовой (для фиксации орбит) теорий, во вторых – если у нас на внешней оболочке больше одного атома, она не работает, что куда критичнее. Это было одним из многих противоречий, с которыми столкнулись ученые того времени, и которое было разрешено только с развитием квантовой механики.
Современная модель атома является квантово-механической, она развивает идеи Бора, но более подробно описывает движение электрона. Хотя на самом деле как раз менее подробно… Есть такая замечательная штука, как Принцип неопределенностей Гейзенберга, который гласит, что невозможно одновременно с точностью определить координаты и скорость квантовой частицы. А электрон в атоме это как раз квантовая частица, причем точность для него – как раз около размера этого самого атома. Поэтому мы не можем описать движения электрона как движение Земли вокруг Солнца или чего-то подобного, мы можем только говорить о том, что есть электронное облако – некоторая зона, в которой точно находится электрон.
Квантово-механическая модель атома тоже не является конечной точкой, но на данный момент – это все, что может наука сказать про строение атома. Остается надеяться, что она не будет такой же долгоиграющей, как Демокритов атом.
