Открыть главное меню

Атомная теория

Атомная теория — физическая теория, предполагающая, что всё на свете состоит из мельчайших частиц — атомов, скреплённых между собой ядерными и электрическими силами. В XX веке на практике было доказано, что атом можно разделить на ещё более мелкие — субатомные — частицы.

ИсторияПравить

АтомизмПравить

Основная статья: Атомизм

В древнегреческой философии, а позднее и в средние века, люди предполагали, что вещи вокруг них состоят из двух частей: неделимые атомы, каким-то образом сцепленные друг с другом, и из пустоты между атомами. Атомы считались вечными и неразрушимыми корпускулами.[1][2] Эта позиция была отражена в трудах таких философов, как Демокрит или Левкипп, но никаких доказательств этой теории в то время не было.

Первая теория строения атомаПравить

В конце XVIII века были открыты химические законы сохранения:

 
Модель атома Томсона

Для выполнения этих законов материя должна обладать дискретной структурой. Но в то время была не совсем ясна структура того, что сейчас мы называем «молекулой». В 1811 году Амедео Авогадро провёл серию опытов с газом и выяснил, что два литра водорода реагируют только с одним литром кислорода при получении водяного пара.[6] В результате исследования броуновского движения открытого в 1827 году [7] стало очевидно, что материя состоит из отдельных частиц — атомов, способных собираться в группы — молекулы, то есть была создана атомная теория строения вещества.

Открытие субатомных частицПравить

Основная статья: Субатомные частицы
Основная статья: Модель атома Томсона
 
Планетарная модель атома.

До 1897 года атомы считались неделимыми. В 1897 году Джозеф Джон Томсон провёл опыт с круксовой трубкой (англ.),[8] в котором впервые наблюдался электрон. На катод подавалось некое напряжение и, как впоследствии оказалось, в таких условиях катод излучает пучки электронов. Томсон выяснил, что эти пучки отклоняются при воздействии на них электромагнитным полем. Сам Томсон называл эти частицы корпускулами, но позднее им дали отдельное имя — электроны.

Открытие ядра атомаПравить

Основная статья: Планетарная модель атома
 
Модель атома Бора.

Модель атома Томсона была опровергнута в 1909 году учеником Томсона — Эрнестом Резерфордом. Последний обнаружил, что атом не однороден по своей структуре: в центре находится массивное положительное плотное ядро, а вокруг него, как планеты вокруг Солнца, летают электроны.

Оказалось, если обстреливать альфа-частицами тонкий лист золота, то альфа-частицы будут отклоняться на разные углы, причём часть из них — на угол больше   а такое может быть только если массивная положительная альфа-частица встречает на своём пути достаточно массивное положительное препятствие.[9]

Создание квантовой теории атомаПравить

Основная статья: Модель Бора

У планетарной модели был ряд недостатков, из которых самым существенным был недостаток, связанный с теоретически верной потерей энергии электрона: так как электрон вращается вокруг атома, то на него действует центростремительное ускорение, а по формуле Лармора (англ.) любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает. То есть теряет энергию. А если электрон теряет энергию, то в конце концов он должен упасть на ядро, чего в реальности не происходит.

В 1913 году Нильс Бор предположил, что электрон может вращаться не как угодно, а на строго определённых орбитах, не меняя своей энергии сколь угодно долгое время. Переход с орбиты на орбиту требует определённой энергии — кванта энергии.

Открытие изотоповПравить

Основная статья: Изотоп

В 1907 году радиохимиком Фредериком Содди было обнаружено, что существуют вещества с одинаковыми химическими свойствами, но отличающиеся числом нейтронов.

Открытие делимости ядраПравить

Основная статья: Атомное ядро

В 1930 году было обнаружено, что если высокоэнергетичные альфа-частицы попадают на некоторые лёгкие элементы, то последние излучают лучи с необычно большой проникающей способностью. Это излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные остальные лучи. В 1932 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин, то образуются протоны высоких энергий, не сходящиеся с теоретическими расчётами. Физик Джеймс Чедвик предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провёл серию экспериментов[каких?], подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами.

Открытие атомных орбиталейПравить

Основная статья: Атомная орбиталь
 
Различные атомные орбитали.

В 1924 году Луи Де Бройлем было предположено, что все частицы связаны с волной, названной впоследствии волной де Бройля с частотой   и с длиной волны  

В 1926 году было записано уравнение Шрёдингера,[10] описывающее субатомные частицы как волны. Чуть позже Макс Борн предположил, что корпускулярно-волновой дуализм верен не только для фотонов, но и в принципе для всех частиц. Было введено понятие орбитали — место наиболее вероятного нахождения электрона данного атома. Ведь теоретически электрон может быть очень редко обнаружен на любом расстоянии от атома,[11] но чаще всего он находится где-то рядом с оным, как раз «на орбитали».

Теория строения атома в культуреПравить

 
Атом как символ науки.
 Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными, и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то, какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов, принесло бы наибольшую информацию?

Я считаю, что это – атомная гипотеза: все тела состоят из атомов - маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольших расстояниях, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому.

В одной этой фразе содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения.
Р. Фейнман.
 
  • Модель атома в упрощёном виде является одним из известных символов науки.

ПримечанияПравить

  1. Aristotle, Metaphysics I, 4, 985b 10—15.
  2. Berryman, Sylvia, «Ancient Atomism», The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2008 Edition), Edward N. Zalta (ed.), http://plato.stanford.edu/archives/fall2008/entries/atomism-ancient/
  3. Weisstein, Eric W. Lavoisier, Antoine (1743-1794)]. scienceworld.wolfram.com. Дата обращения 1 августа 2009. Архивировано 7 апреля 2013 года.
  4. Proust, Joseph Louis. «Researches on Copper», excerpted from Ann. chim. 32, 26-54 (1799) [as translated and reproduced in Henry M. Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry, 1400—1900 (Cambridge, MA: Harvard, 1952)]. Retrieved on August 29, 2007.
  5. Andrew G. van Melsen. From Atomos to Atom. — Mineola, N.Y. : Dover Publications, 1952. — ISBN 0-486-49584-1.
  6. Avogadro, Amedeo. Essay on a Manner of Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies, and the Proportions in Which They Enter into These Compounds (англ.) // Journal de Physique : journal. — 1811.. — Vol. 73. — P. 58—76.
  7. Einstein, A. Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen (нем.) // Annalen der Physik : magazin. — 1905. — Bd. 322, Nr. 8. — S. 549. — DOI:10.1002/andp.19053220806. — Bibcode1905AnP...322..549E.
  8. Thomson, J.J. Cathode rays (англ.) // Philosophical Magazine : journal. — 1897. — Vol. 44, no. 269. — P. 293. — DOI:10.1080/14786449708621070.
  9. Geiger, H. The Scattering of the α-Particles by Matter (англ.) // Proceedings of the Royal Society : journal. — 1910. — Vol. A 83. — P. 492—504.
  10. Schrödinger, Erwin. Quantisation as an Eigenvalue Problem (неопр.) // Annalen der Physik. — 1926. — Т. 81, № 18. — С. 109—139. — DOI:10.1002/andp.19263861802. — Bibcode1926AnP...386..109S.
  11. Mahanti, Subodh. Max Born: Founder of Lattice Dynamics. Архивировано 22 января 2009 года. Дата обращения 1 августа 2009.