Атомная теория — научная теория , согласно которой материя состоит из частиц, называемых атомами . Теория атома берёт своё начало в древней философской традиции, известной как атомизм . Согласно этой идее, если взять кусок материи и разрезать его на все более мелкие части, он в конечном итоге достигнет точки, когда части нельзя будет разрезать на что-либо меньшее. Древнегреческие философы называли эти гипотетические конечные частицы материи атомосом , что означало «неразрезаемый».

В начале 1800-х годов учёный Джон Дальтон заметил, что химические вещества , казалось, объединяются и распадаются на другие вещества по массе. Некоторые предполагали, что каждый химический элемент в конечном итоге состоит из крошечных неделимых частиц постоянной массы. Вскоре после 1850 года некоторые физики разработали кинетическую теорию газов и тепла, которая математически описывала поведение газов, предполагая, что они состоят из частиц. В начале 20 века Альберт Эйнштейн и Жан Перрен доказали, что броуновское движение (беспорядочное движение зёрен пыльцы в воде) вызвано действием молекул воды; эта третья линия доказательств заглушила оставшиеся у учёных сомнения в том, существуют ли атомы и молекулы в реальности. На протяжении девятнадцатого века некоторые учёные предупреждали, что доказательства существования атомов являются косвенными, и поэтому атомы на самом деле могут не быть реальными, а только казаться реальными.

К началу 20 века учёные разработали довольно подробные и точные модели структуры материи, что привело к более строгой классификации крошечных невидимых частиц, составляющих обычную материю. Атом теперь определяется как основная частица, составляющая химический элемент . Примерно на рубеже 20-го века физики обнаружили, что частицы, которые химики назвали «атомами», на самом деле являются скоплениями ещё более мелких частиц ( субатомных частиц ). Сейчас термин элементарная частица используется для обозначения фактически неделимых частиц, а атомы остаются самыми мелкими частицами, неделимыми химически.

История

Философский атомизм

Идея о том, что материя состоит из отдельных единиц, — очень стара. Она появилась во многих древних культурах, таких как Греция и Индия. Слово «атом» др.-греч. ἄτομος , что означает «неразрезаемый», был придуман досократическим греческим философом Левкиппом и его учеником Демокритом (460—370 до н. э.) . Демокрит учил, что количество атомов бесконечно, они не сотворены и вечны, а качества объекта зависят от типов, составляющих его атомов. Атомизм Демокрита был усовершенствован и развит более поздним греческим философом Эпикуром (341—270 до н. э.) и римским эпикурейским поэтом Лукрецием (99-55 до н. э.). В период раннего средневековья в Западной Европе об атомизме почти забыли. В XII веке он снова стал известен в Западной Европе благодаря ссылкам на него в недавно открытых трудах Аристотеля .

В XIV веке повторное открытие основных работ, описывающих атомистические учения, в том числе De rerum natura Лукреция и О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов Диогена Лаэртского , привело к усилению внимания учёных к этой теме. Тем не менее, поскольку атомизм был связан с философией эпикурейства , которая противоречила ортодоксальным христианским учениям, вера в атомы не считалась приемлемой для большинства европейских философов . Французский католический священник Пьер Гассенди (1592—1655) возродил эпикурейский атомизм с модификациями, утверждая, что атомы были созданы Богом и, хотя их очень много, но не бесконечны. Он был первым, кто использовал термин «молекула» для описания агрегации атомов . Модифицированная теория атомов Гассенди была популяризирована во Франции врачом Франсуа Бернье (1620—1688) и в Англии натурфилософом Уолтером Чарлтоном (1619—1707). Химик Роберт Бойль (1627—1691) и физик Исаак Ньютон (1642—1727) защищали атомизм, и к концу 17 века он был принят частью научного сообщества.

Джон Дальтон

Ближе к концу 18 века появились два закона о химических реакциях, не относящиеся к понятию атомной теории. Первым был закон сохранения массы , тесно связанный с работами Антуана Лавуазье , который гласит, что общая масса в химической реакции остаётся постоянной (то есть реагенты имеют ту же массу, что и продукты) . Второй — закон постоянства состава . Этот закон, впервые установленный французским химиком Жозефом Прустом в 1797 году, гласит, что если соединение разбито на составляющие его химические элементы, то массы составляющих частей всегда будут иметь одинаковые весовые пропорции, независимо от количества или источника исходного материала .

Джон Дальтон изучил и расширил эту предыдущую работу и защитил новую идею, позже известную как закон кратных отношений : если одни и те же два элемента могут быть объединены, чтобы образовать ряд различных соединений, то соотношение масс двух элементов в их различных соединениях будут представлены небольшими целыми числами. Это обычная картина в химических реакциях, которую наблюдали Дальтон и другие химики того времени.

Пример 1 — оксиды олова: Дальтон идентифицировал два оксида олова. Один из них представляет собой серый порошок, в котором на каждые 100 частей олова приходится 13,5 частей кислорода. Другой оксид представляет собой белый порошок, в котором на каждые 100 частей олова приходится 27 частей кислорода . 13,5 и 27 образуют соотношение 1:2. Эти оксиды сегодня известны как оксид олова (II) (SnO) и оксид олова (IV) (SnO ₂ ) соответственно.

Пример 2 — оксиды железа: Дальтон идентифицировал два оксида железа. Один из них — чёрный порошок, в котором на каждые 100 частей железа приходится около 28 частей кислорода. Другой — красный порошок, в котором на каждые 100 частей железа приходится 42 части кислорода , 28 и 42 образуют соотношение 2:3. Эти оксиды сегодня известны как оксид железа (II) (более известный как вюстит ) и оксид железа (III) (основной компонент ржавчины). Их формулы — FeO и Fe ₂ O ₃ соответственно.

Пример 3 — оксиды азота: есть три оксида азота, в которых на каждые 140 г азота, содержится 80 г, 160 г, и 320 г кислорода соответственно, что дает соотношение 1:2:4. Это закись азота (N ₂ O), оксид азота (NO) и диоксид азота (NO ₂ ) соответственно.

Этот повторяющийся шаблон предполагает, что химические вещества вступают в реакцию не в произвольном количестве, а в количестве, кратном некоторой базовой неделимой единице массы.

В своих трудах Дальтон использовал термин «атом» для обозначения основной частицы любого химического вещества , а не строго для элементов, как это принято сегодня. Дальтон не использовал слово «молекула»; вместо этого он использовал термины «составной атом» и «элементарный атом» . Дальтон предположил, что каждый химический элемент состоит из атомов одного уникального типа, и, хотя они не могут быть изменены или разрушены химическими средствами, они могут объединяться в более сложные структуры с образованием химических соединений . Это ознаменовало собой первую по-настоящему научную теорию атома, поскольку Дальтон пришёл к своим выводам путём экспериментов и изучения результатов эмпирическим путем.

В 1803 году Дальтон сослался на список относительных атомных масс для ряда веществ в своём выступлении перед Манчестерским литературно-философским обществом о растворимости различных газов, таких как диоксид углерода и азота, в воде. Дальтон не указал, как он получил относительные веса, но первоначально предположил, что изменение растворимости было связано с различиями в массе и сложности частиц газа — идея, от которой он отказался к тому времени, когда статья была наконец опубликована в 1805 году . На протяжении многих лет несколько историков связывали развитие атомной теории Дальтона с его изучением газовой растворимости, но недавнее исследование записей его лабораторной записной книжки показывает, что он разработал химическую атомную теорию в 1803 году, чтобы согласовать аналитические данные Кавендиша и Лавуазье о составе азотной кислоты, а не для объяснения растворимость газов в воде .

Томас Томсон опубликовал первое краткое изложение теории атома Дальтона в третьем издании своей книги «Система химии» . В 1808 году Дальтон опубликовал более полный отчёт в первой части « Новой системы химической философии» . Однако только в 1811 году Дальтон обосновал свою теорию множественных пропорций .

Дальтон оценил атомные веса в соответствии с массовыми отношениями, в которых они складывались, с атомом водорода, принятым за единицу. Однако Дальтон не предполагал, что некоторые элементы представляют собой атомы в молекулах — например, чистый кислород существует в виде O ₂ . Он также ошибочно полагал, что простейшим соединением между любыми двумя элементами всегда является состояние с одним атомом каждого элемента (поэтому он думал, что вода — это HO, а не H ₂ O) . Это, в дополнение к неточности его оборудования, испортило его результаты. Например, в 1803 году он считал, что атомы кислорода в 5,5 раз тяжелее атомов водорода, поскольку в воде он измерял 5,5 граммов кислорода на каждые 1 грамм водорода и считал, что формула воды — HO. Получив более точные данные, в 1806 году он пришел к выводу, что атомный вес кислорода должен быть на самом деле 7, а не 5,5, и он сохранил этот вес на всю оставшуюся жизнь. Другие учёные в то время уже пришли к выводу, что атом кислорода должен весить 8 по отношению к водороду, равному 1, если принять формулу Дальтона для молекулы воды (HO), или 16, если принять современную формулу воды (H ₂ O) .

Авогадро

Недостаток теории Дальтона был исправлен в 1811 году Амедео Авогадро . Авогадро предположил, что равные объёмы любых двух газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное количество молекул (другими словами, масса частиц газа не влияет на объём, который он занимает) . Закон Авогадро позволил ему установить двухатомную природу многих газов, изучая объёмы, при которых они реагировали. Например: поскольку два литра водорода вступают в реакцию всего с одним литром кислорода с образованием двух литров водяного пара (при постоянном давлении и температуре), это означает, что одна молекула кислорода разделяется на две части, чтобы образовать две частицы воды. Таким образом, Авогадро смог предложить более точные оценки атомной массы кислорода и различных других элементов и провести чёткое различие между молекулами и атомами.

Броуновское движение

В 1827 году британский ботаник Роберт Броун заметил, что частицы пыли внутри зёрен пыльцы, плавающих в воде, постоянно колеблются без видимой причины. В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что это броуновское движение было вызвано молекулами воды, непрерывно толкающими частицы, и разработал гипотетическую математическую модель для его описания . Эта модель была экспериментально подтверждена в 1908 году французским физиком Жаном Перреном , что обеспечило дополнительное подтверждение теории частиц (и, соответственно, теории атома).

Открытие субатомных частиц

Атомы считались наименьшим структурным элементом материи до 1897 года, когда Дж. Дж. Томсон открыл электрон в своей работе над катодными лучами .

— это герметичный стеклянный контейнер, в котором два электрода разделены вакуумным промежутком. Когда на электроды подаётся напряжение , генерируются катодные лучи, создавая светящееся пятно там, где они попадают в стекло на противоположном конце трубки. Путём экспериментов Томсон обнаружил, что лучи могут отклоняться электрическим полем (в дополнение к уже известным магнитным полям ). Он пришёл к выводу, что эти лучи не являются формой света, а состоят из очень лёгких отрицательно заряженных частиц, которые он назвал « » (позже другие учёные переименовали их в электроны). Он измерил отношение массы к заряду и обнаружил, что оно в 1800 раз меньше, чем у водорода, самого маленького атома. Эти корпускулы были частицами, не похожими ни на какие другие известные ранее.

Томсон предположил, что атомы делимы и что корпускулы были их строительными блоками . Чтобы объяснить общий нейтральный заряд атома, он предположил, что корпускулы были распределены в однородном море положительного заряда; это была модель сливового пудинга поскольку электроны были погружены в положительный заряд, как изюм в сливовом пудинге (хотя в модели Томсона они не были стационарными).

Открытие ядра атома

Модель сливового пудинга Томсона была опровергнута в 1909 году одним из его бывших учеников, Эрнестом Резерфордом , который обнаружил, что большая часть массы и положительного заряда атома сосредоточена в очень небольшой части его объёма, который, как он предполагал, находится в центре.

Эрнест Резерфорд и его коллеги Ханс Гейгер и Эрнест Марсден усомнились в модели Томсона после того, как столкнулись с трудностями при попытке создать прибор для измерения отношения заряда к массе альфа-частиц (это положительно заряженные частицы, испускаемые некоторыми радиоактивными веществами, например, радием ). Альфа-частицы рассеивались воздухом в камере детектора, что делало измерения ненадёжными. Томсон столкнулся с подобной проблемой в своей работе над катодными лучами, которую он решил, создав почти идеальный вакуум в своих инструментах. Резерфорд не думал, что столкнется с той же проблемой, потому что альфа-частицы намного тяжелее электронов. Согласно модели атома Томсона, положительный заряд в атоме недостаточно сконцентрирован для создания электрического поля, достаточно сильного, чтобы отклонить альфа-частицу, а электроны настолько лёгкие, что их должны легко отталкивать гораздо более тяжёлые альфа-частицы. Однако рассеяние было, поэтому Резерфорд и его коллеги решили тщательно исследовать это явление .

Между 1908 и 1913 годами Резерфорд и его коллеги провели серию экспериментов, в которых они бомбардировали тонкие металлические фольги альфа-частицами. Они заметили альфа-частицы, отклоняющиеся на угол более 90°. Чтобы объяснить это наблюдение, Резерфорд предположил, что положительный заряд атома не распределяется по всему объёму атома, как полагал Томсон, а сосредоточен в крошечном ядре в центре. Только такая интенсивная концентрация заряда может создать электрическое поле, достаточно сильное, чтобы отклонить альфа-частицы, как это наблюдается в эксперимента .

Первые шаги к квантовой физической модели атома

Планетарная модель атома имела два существенных недостатка. Во-первых, в отличие от планет, вращающихся вокруг Солнца, электроны являются заряженными частицами. Ускоряющий электрический заряд, как известно, излучает электромагнитные волны в соответствии с формулой Лармора в классической электродинамике . Орбитальный заряд должен постоянно терять энергию и двигаться по спирали к ядру, сталкиваясь с ним за малую долю секунды. Вторая проблема заключалась в том, что планетарная модель не могла объяснить наблюдаемые спектры излучения и поглощения атомов с высокими пиками.

Квантовая теория произвела революцию в физике в начале XX века, когда Макс Планк и Альберт Эйнштейн постулировали, что световая энергия излучается или поглощается в дискретных количествах, известных как кванты . В 1913 году Нильс Бор включил эту идею в свою модель атома Бора, в которой электрон мог вращаться вокруг ядра только по определённым круговым орбитам с фиксированными угловым моментом и энергией, причём его расстояние от ядра (то есть их радиусы) было пропорционально его энергии . В соответствии с этой моделью электрон не может двигаться по спирали и упасть на ядро, потому что он не может непрерывно терять энергию; вместо этого он мог совершать только мгновенные « » между фиксированными уровнями энергии . Когда это происходило, свет излучался или поглощался с частотой, пропорциональной изменению энергии (отсюда дискретные спектры поглощение и испускания).

Модель Бора не была идеальной. Она могла только предсказывать спектральные линии водорода; она не могла предсказать таковые для многоэлектронных атомов. Что ещё хуже, по мере совершенствования спектрографической технологии наблюдались дополнительные спектральные линии в водороде, которые модель Бора не могла объяснить. В 1916 году Арнольд Зоммерфельд добавил эллиптические орбиты к модели Бора, чтобы объяснить дополнительные эмиссионные линии, но это сделало модель очень сложной в использовании, и она всё ещё не могла объяснить более сложные атомы.

Открытие изотопов

Экспериментируя с продуктами радиоактивного распада , в 1913 году радиохимик Фредерик Содди обнаружил, что, по-видимому, в каждой ячейке периодической таблицы содержится более одного элемента . Термин изотоп был придуман как подходящее название для этих элементов.

В том же году Дж. Дж. Томсон провёл эксперимент, в котором направил поток ионов неона через магнитное и электрическое поля, на фотопластинку. Он заметил два светящихся пятна на пластине, которые предполагали две разные траектории отклонения. Томсон пришёл к выводу, что это произошло потому, что некоторые ионы неона имели другую массу . Природа этой различающейся массы позже будет объяснена с открытием нейтронов в 1932 году.

Открытие ядерных частиц

В 1917 году Резерфорд бомбардировал азот альфа-частицами и наблюдал, как из газа испускаются ядра водорода (Резерфорд распознал их, потому что он ранее получил их, бомбардируя водород альфа-частицами и наблюдая ядра водорода в продуктах). Резерфорд пришёл к выводу, что ядра водорода возникли из ядер самих атомов азота (фактически, он расщепил азот) .

Из своей собственной работы и работ своих учеников Бора и Генри Мозли Резерфорд знал, что положительный заряд любого атома всегда можно приравнять к заряду целого числа ядер водорода. Это, вкупе с атомной массой многих элементов, примерно эквивалентной целому числу атомов водорода, которые тогда считались легчайшими частицами, привело его к выводу, что ядра водорода были единичными частицами и основной составляющей всех атомных ядер. Он назвал такие частицы протонами . Дальнейшие эксперименты Резерфорда показали, что ядерная масса большинства атомов превышает массу протонов, которыми они обладают; он предположил, что эта избыточная масса состоит из ранее неизвестных нейтрально заряженных частиц, которые предварительно назвали « нейтронами ».

В 1928 году Уолтер Боте заметил, что бериллий испускает электрически нейтральное излучение с большой проникающей способностью при бомбардировке альфа-частицами. Позже было обнаружено, что это излучение может выбивать атомы водорода из парафина . Первоначально считалось, что это гамма-излучение высокой энергии, поскольку гамма-излучение оказывает аналогичное влияние на электроны в металлах, но Джеймс Чедвик обнаружил, что эффект ионизации был слишком сильным, чтобы он мог быть вызван электромагнитным излучением, при условии, что энергия и импульс сохранялись во взаимодействии. В 1932 году Чедвик подвергал различные элементы, такие как водород и азот, загадочному «излучению бериллия», и, измеряя энергии обратно рассеянных заряженных частиц, он пришел к выводу, что это излучение на самом деле состоит из электрически нейтральных частиц, которые не могут быть безмассовыми как гамма-лучи, но вместо этого обладают массой, аналогичную массе протона. Чедвик теперь объявил эти частицы нейтронами Резерфорда . За открытие нейтрона Чедвик получил Нобелевскую премию в 1935 году.

Квантовые физические модели атома

В 1924 году Луи де Бройль предположил, что все движущиеся частицы — особенно субатомные частицы, такие как электроны, — демонстрируют определённое волнообразное поведение. Эрвин Шрёдингер , очарованный этой идеей, исследовал, можно ли лучше объяснить движение электрона в атоме как волну, а не как частицу. Уравнение Шрёдингера , опубликованное в 1926 году , описывает электрон как волновую функцию , а не как точечную частицу. Этот подход элегантно предсказал многие спектральные явления, которые модель Бора не смогла объяснить. Хотя эта концепция была удобна с математической точки зрения, её трудно было визуализировать, и она столкнулась с противодействием . Один из его критиков, Макс Борн , предложил вместо этого, чтобы волновая функция Шредингера описывала не электрон, а все его возможные состояния, и, таким образом, могла использоваться для расчёта вероятности нахождения электрона в любом заданном месте вокруг ядра . Это примирило две противоположные теории частиц и волновых электронов, и была введена идея дуальности волна-частица . Эта теория утверждала, что электрон может проявлять свойства как волны, так и частицы. Например, он может преломляться, как волна, и обладать массой, как частица .

Следствием волнового описания электронов является то, что математически невозможно одновременно определить положение и импульс электрона. Он стал известен как принцип неопределенности Гейзенберга в честь физика-теоретика Вернера Гейзенберга , который впервые описал его и опубликовал в 1927 году . Это опровергло модель Бора с её аккуратными, чётко очерченными круговыми орбитами. Современная модель атома описывает положение электронов в атоме с точки зрения вероятностей. Электрон потенциально может быть найден на любом расстоянии от ядра, но, в зависимости от его уровня энергии, в одних областях вокруг ядра он существует чаще, чем в других; эта область называется его атомной орбиталью . Орбитали бывают разных форм — сфера , гантель , тор и так далее — с ядром в середине .

Теория строения атома в культуре

• Достаточно известно высказывание Р. Фейнмана :

• Модель атома в упрощённом виде является одним из известных символов науки .
• Изображение упрощённой модели Бора-Резерфорда в качестве символа атома довольно прочно вошло в муниципальную геральдику и нередко используется в гербах начиная с XX века.

Примечания

Библиография

• Andrew G. van Melsen. From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom. — 1960. — ISBN 0-486-49584-1 .
• J. P. Millington. . — 1906.
• Jaume Navarro. A History of the Electron: J. J. and G. P. Thomson. — 2012. — ISBN 978-1-107-00522-8 .
• Dalton, John. : [ англ. ] . — S. Russell, 1808.
• Heilbron, J. L. . — Oxford New York : Oxford University Press, 2003. — ISBN 0195123786 .
• Bernard Pullman (1998) The Atom in the History of Human Thought , trans. by Axel Reisinger. Oxford Univ. Press.
• Eric Scerri (2007) The Periodic Table, Its Story and Its Significance , Oxford University Press, New York.
• Charles Adolphe Wurtz (1881) The Atomic Theory , D. Appleton and Company, New York.
• Alan J. Rocke (1984) Chemical Atomism in the Nineteenth Century: From Dalton to Cannizzaro , Ohio State University Press, Columbus (open access full text at ).

Ссылки

• С. Марка Коэна.
• — подробная информация по теории атома в отношении электронов и электричества.