Top

АТОМ, КОТОРЫЙ ПОСТРОИЛ…

 

Рассказывают, что в 1958 году некий молодой физик пришел к великому Нильсу Бору и принес ему свою теорию строения атома. Бор внимательно прочел работу молодого физика и сказал: «Нет сомнения, что перед нами безумная теория, но весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться еще и верной!»

ЖИЗНЬ ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫХ ИДЕЙ: АТОМ, КОТОРЫЙ ПОСТРОИЛ…

Представим себе, что у нас есть самый острый в мире нож. Предположим также, что у нас есть некий материальный объект. Скажем, яблоко. Или даже батон колбасы. Разрежем теперь этот объект на две половинки. Потом разрежем половинку на две четвертинки. Четвертинку, в свою очередь, тоже разрежем пополам – и так далее. Рано или поздно у нас останется совсем крохотный кусочек, не поддающийся дальнейшему делению.

Неделимый. Или по-гречески «атом». Примерно так рассуждал Демокрит.

ДЕМОКРИТ АБДЕРСКИЙ – древнегреческий философ, ученик Левкиппа, один из основателей атомистики. Родился примерно в 460 году до нашей эры, прожил почти сто лет и умер в глубокой старости.

В своем учении Демокрит описал мир как систему атомов в пустоте. По его представлению атомы были вечными, неизменными и неделимыми.

Философская идея Демокрита о том, что вся материя Вселенной состоит из неизменных и одинаковых атомов просуществовала до начала 19 века. Вплоть до того момента, пока химия не сформировалась как наука. Тогда было обнаружено, что многие вещества в процессе химических реакций распадаются на более простые компоненты. Но при этом соотношение веществ не изменяется.

Первым это заметил и объяснил Дальтон.

ДЖОН ДАЛЬТОН – английский физик и химик. Родился в 1766 году. Дальтон открыл несколько законов, названных впоследствии его именем. Именем Дальтона также назван дефект зрения – дальтонизм, которым ученый страдал и который подробно описал в одной из научных работ.

Атом, который построил Дальтон. Англия, 1808 год.

В 1808 году Дальтон опубликовал фундаментальный двухтомный труд «Новая система химической философии». В этой работе он высказал предположение, что каждому химическому элементу соответствует уникальный для него атом. Эта идея Дальтона легла в основу всей современной химии. Однако Дальтон, как и Демокрит, считал, что атом неделим.  Таким атом и оставался еще девяносто лет.

Все изменилось в 1897 году, когда Джозеф Джон Томсон открыл электрон.

ДЖОЗЕФ ДЖОН ТОМСОН – английский физик, создатель научной школы. Родился в 1856 году в семье продавца книг. Закончил Манчестерский университет. В возрасте 28 лет был избран профессором и директором Кавендишской лаборатории, которую возглавлял 35 лет. С 1915 по 1920 год был президентом Лондонского королевского общества. В 1906 году получил Нобелевскую премию по физике «За исследование прохождения электрического тока через газы».

Атом, который построил Томсон. Англия, 1897 год.

Справедливости ради надо сказать, что версия о сложном строении атома зародилась несколько раньше, сразу после открытия электричества. Еще в середине восемнадцатого века. Американский ученый, который известен нам больше, как политический деятель, Бенджамин Франклин предположил, что электрическая субстанция состоит из очень мелких частиц, легко пронизывающих металлы.

Сто лет спустя английский физик Джеймс Клерк Максвелл назвал эти мелкие частицы «молекулами электричества».

Слово «электрон» впервые прозвучало в 1891 году. Этот термин предложил мало кому известный в научном мире ирландский физик и математик, член Ирландского королевского общества профессор Джордж Джонатан Стони (Стоней). Но при этом Стони считал, что электрон не может быть отделен от атома, это всего лишь электрический разряд.

Через шесть лет – в 1897 году – сорокалетний кембриджский профессор Джозеф Джон Томсон — или Джи-Джи как называли его в приватных беседах сотрудники и коллеги Кавендишской лаборатории — взвесил электрон и измерил его скорость. Тем самым электрону было дано полное право считаться частицей материального мира.

 «Ничто не существует пока оно не измерено». Нильс Бор, датский физик

В мае 1897 года Томсон опубликовал статью «Катодные лучи», в которой обосновывалось существовании электрона. Точнее «корпускулы», мельчайшей частицы материи или эфира. Профессор Джи-Джи предпочитал использовать архаичные названия.

Однако в корпускулы мало кто поверил. Ведь признать, что в составе неделимого крохотного атома есть какие-то еще более мелкие частицы — значило подорвать саму основу физики.

Была и еще одна непреодолимая преграда для признания сложного строения атома: отрицательный заряд электрона. Атом – и это был непреложный факт – нейтрален по заряду. Если в его составе есть отрицательно заряженные частицы, значит, должны присутствовать и положительно заряженные.

А вот это уже ни в какие ворота не лезло! Неделимый атом, это вам не слоеный пирог. Более того, само существование атома в то время подвергалось сомнению многими видными учеными. Одни говорили, что атом – это не реальный объект, а всего лишь хитроумная уловка. Другие были уверены: атомы настолько малы, что, скорее всего, их вовсе не существует.

В 1903 году Джозеф Томсон предложил первую модель атома. Эта модель устраняла все противоречия. По Томсону атом представлял собой некий шар из положительно заряженного вещества, в который были вкраплены отрицательно заряженные электроны. Эдакая булочка с изюмом.

Эта булочка была прекрасна. Она объясняла и нейтральность атома. И почти правильно устанавливала соотношение масс самого атома и электронов. Но помимо всего прочего модель Томсона объясняла и известный на тот момент факт существования спектров излучения.

Томсон предположил, что корпускулы или электроны распределены в сфере неравномерно. Под действием кулоновских сил они стремятся занять положение в центре атома. Если что-то выводит электроны из состояния равновесия, они начинают совершать колебания. Именно эти колебания и сопровождаются электромагнитным излучением.

Через год, в 1904-ом, Томсон усовершенствовал свою модель атома. В новой модели электроны уже не толпились в центре атома, а были нанизаны на кольца. Эти кольца располагались вокруг центра сферы. Каждое содержало определенное количество электронов. Количество этих колец возрастало при переходе от элемента к элементу.

В усовершенствованной модели Томсона явственно просматривалась периодическая система Менделеева.

Пройдет всего лишь семь лет и атомная модель Томсона будет признана несостоятельной. Но именно с нее началась первая революция в представлении о веществе, новая физическая эра.

Атом, который построил Резерфорд. Англия, 1911 год.

Вот наша планета Земля. Вот наш спутник Луна. Это очень приблизительная, но зато наглядная модель атома водорода, увеличенная до гигантских размеров. Где Земля – положительное ядро, а Луна – отрицательный электрон, который вращается вокруг ядра по неизменной орбите.

Эту планетарную модель атома в 1911 году предложил Эрнест Резерфорд.

ЭРНЕСТ РЕЗЕРФОРД – английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома. Родился в 1871 году в Новой Зеландии. Его родители были выходцами из Шотландии. С отличием закончил Кентерберийский университет. Три года стажировался у Томсона в Кавендишской лаборатории, затем переехал в Канаду, где в двадцать шесть лет стал профессором физики университета Мак Гилла в Монреале. В 1907 году Резерфорд вернулся в Англию, чтобы возглавить физический факультет Манчестерского университета. В 1919 году в связи с уходом на пенсию Джозефа Томсона занял его место в Кембридже, руководил Кавендишской лабораторией 18 лет до конца жизни. В 1908 году получил Нобелевскую премию по химии. В 1931-ом получил титул барона и стал лордом Резерфордом оф Нельсон.

К своей планетарной модели Эрнест Резерфорд шел достаточно долго – почти пятнадцать лет. Начался этот путь в тот момент, когда Джозеф Томсон открыл электрон. Это было в 1897 году. Тогда Резерфорд проходил стажировку в Кембридже и профессор Томсон предложил своему студенту заняться изучением сначала рентгеновских лучей, а затем лучей Беккереля, и попытаться найти между ними сходство.

Рентгеновские лучи или х-лучи были открыты в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном.

В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл самопроизвольное радиоактивное излучение урана. Поначалу это излучение называли беккерелиевыми лучами.

Термин «радиоактивность» был предложен французскими учеными Мари и Пьером Кюри после открытия ими радия и полония.

Исследуя два типа лучей, Резерфорд не обнаружил между ними сходства. Но зато открыл состав радиоактивности. Ему удалось разделить радиоактивное излучение на три различных вида: альфа-, бета- и гамма-лучи.

Открытие альфа-частиц через пятнадцать лет сыграет решающую роль в построении новой модели атома. А пока еще в физике царит электронная модель Томсона. И Резерфорда пока еще интересует только радиоактивность.

В 1900 году Эрнест Резерфорд открыл эманацию тория.

Эманация —  термин философский, он означает истечение чего-либо откуда-то, появление чего-то нового, что может существовать самостоятельно.

В случае с торием его эманацией был газ торон. Резерфорд доказал, что этот газ представляет собой химический элемент, который отличается от самого тория. Следом Резерфорд вместе с профессором химии Фредериком Содди открывает эманацию радия – газ радон, и выдвигает совершенно революционную теорию, что радиоактивный распад – это самопроизвольный переход одних элементов в другие.

Резерфорд и Содди также выведут закон радиоактивного превращения: при альфа-распаде элемент перемещается на две клеточки вверх по таблице Менделеева, при электронном бета-распаде – на одну клеточку вниз. По этому закону уран превращался в свинец без всякого философского камня — через цепочку альфа-радиоактивных распадов.

В начале 1903-го года Эрнест Резерфорд наконец идентифицировал открытые им альфа-частицы как атомы гелия. Через несколько лет, уже вернувшись из Канады в Англию, Резерфорд уточнит: дважды ионизированные атомы гелия, то есть, потерявшие по два электрона.

В 1908 году Эрнесту Резерфорду за работы по теории радиоактивности присудили Нобелевскую премию по химии. Почему по химии, а не по физике? Потому что в то время ученые еще точно не знали, к какой из этих наук причислить радиоактивность.

 «Я имел дело со многими разнообразными превращениями, но самым быстрым из всех оказалось мое собственное превращение в один момент из физика в химика». Эрнест Резерфорд, из нобелевской речи

Лаборатория Манчестерского университета, где Резерфорд занимал должность профессора кафедры физики, находилась в мрачном погребе. Чтобы добраться до столов с приборами, нужно было перешагивать через водопроводные трубы. Именно здесь в 1911 году Резерфорд и построил свою планетарную модель атома.

Открытию предшествовал эксперимент. Самый рядовой. Проводил его не сам Резерфорд, а его студент Эрнест Марсден, будущий известный физик, президент Королевского общества Новой Зеландии.

Марсден выполнял рутинную работу: считал альфа-частицы радия, которые пролетали сквозь тонкую металлическую пластину…

Кстати, из одной тысячной грамма радия за одну секунду вылетает 130 тысяч альфа-частиц.

В процессе этого, прямо скажем, малоувлекательного подсчета Марсден вдруг заметил, что некоторые частицы ведут себя очень странно. Вместо того чтобы беспрепятственно пролететь сквозь металлическую пластину, они ударяются обо что-то и отклоняются на угол около 150 градусов. То есть, практически возвращаются обратно к излучателю.

А этого не могло быть! Поскольку альфа-частицы гораздо меньше атомов и гораздо крупнее электронов. Атом они должны были пронизывать насквозь, а столкнувшись с легкими электронами должны были либо отфутболить корпускулы Томсона, либо отклониться на очень небольшой угол.

Марсден рассказал о своих наблюдениях Резерфорду.

 «Это было почти неправдоподобно, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в кусок папиросной бумаги, и снаряд отскочил бы обратно и поразил вас». Эрнест Резерфорд

Объяснение этому эффекту могло быть только одно: в атоме находится некая массивная преграда, которая гораздо крупнее электрона. Резерфорд назвал эту преграду nukleus – ядро, использовав термин, принятый в биологии и означающий центральную часть живой клетки.

Так родилась планетарная или ядерная модель атома. С положительно заряженным ядром в центре и с отрицательно заряженными электронами, которые вращаются вокруг ядра по орбитам. Подобно нашей Солнечной системе.

Солнечная система Резерфорда была прекрасна. Но в ней тоже имелись серьезные противоречия. По законам электродинамики при движении вокруг ядра электрон должен излучать электромагнитные волны, но при этом терять энергию. То есть рано или поздно, а точнее через одну стомиллионную долю секунды, электрон, потерявший энергию, упадет на ядро. И исчезнет. В действительности же ничего подобного не происходит. Атомы вполне стабильны, электроны никуда не падают.

Как известно, из любой безвыходной ситуации, имеется минимум два выхода. Вот и здесь можно было попробовать сконструировать более удачную модель атома. А можно было… пересмотреть основные положения классической теории электродинамики. Что и сделал ученик Резерфорда.

Атом, который построил Бор. Англия, 1913 год

В тот год, когда Эрнесту Резерфорду вручали Нобелевскую премию, молодой датский физик Нильс Бор, только что окончивший Копенгагенский университет, получил золотую медаль Датского Королевского общества за свою первую научную работу.

НИЛЬС БОР – выдающийся датский физик-теоретик, один из создателей современной физики. Родился в 1885 году в семье профессора Копенгагенского университета. Член Датского королевского общества и его президент с 1939 года. Был членом более чем 20 академий наук мира. В том числе почетным иностранным членом Академии Наук СССР. В 1922 году получил Нобелевскую премию по физике. «За развитие теории структуры атомного ядра». В 1957 году получил первую премию «За мирный атом», учрежденную Фондом Форда.

В 1911 году молодой доктор физических наук Нильс Бор отправился на стажировку в Кембридж к Джозефу Томсону – создателю первой модели атома. А через год переехал в Манчестер – к  Резерфорду, автору второй модели.

Как раз в это время Резерфорд пытался разрешить проблемы, которые возникли у него с движением электронов по орбите. Бор немедленно подключился к работе своего научного руководителя и поставил перед собой цель: ликвидировать противоречия.

«Как замечательно, что мы столкнулись с парадоксом. Теперь у нас есть надежда на продвижение!» Нильс Бор

В 1913 году Нильс Бор вслед за своими учителями Томсоном и Резерфордом совершил очередную революцию в физике.

Для начала он предположил, что в мИкромире – мире элементарных частиц не действуют законы мАкромира – мира материальных объектов. Чтобы понять, по каким законам происходит движение электронов, нужно отказаться от законов классической механики Ньютона.

В своей теории Бор соединил планетарную модель Резерфорда и идею Макса Планка о квантовании энергии.

Квант или фотон – это одна порция электромагнитного излучения, которую электроны могут поглощать или испускать. Впервые идею о том, что энергия идет не сплошным потоком, а дискретными порциями высказал в 1900 году выдающийся немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк.

Основные постулаты новой теории Бор изложил в статье «О строении атомов и молекул», опубликованной 5 апреля 1913 года. Согласно этой теории электроны перемещаются только по строго определенной или разрешенной орбите. При этом, вопреки законам электродинамики, электроны не излучают энергию. Если электрон перескакивает на орбиту более близкую к ядру, он излучает один фотон. При переходе на более удаленную орбиту электрон энергию поглощает, так как ему нужно преодолеть силы притяжения ядра.

Квантовую модель строения атома стали называть моделью Резерфорда-Бора. Но не все ученые ее приняли. Тем, кто исповедовал классическую физику, было трудно пожертвовать законами электродинамики. Долго не признавал открытие Бора и автор теории относительности Альберт Эйнштейн, сам занимавшийся развитием квантовых идей Планка. А вот Эрнест Резерфорд, хоть и не сразу, но согласился с Бором. Хотя поначалу был несколько озадачен.

«Резерфорд не сказал, что это глупо, но он никак не мог понять, каким образом электрон, начиная прыжок с одной орбиты на другую, знает, какой квант ему нужно испускать…» Нильс Бор

В 1922 году Нильс Бор был удостоен Нобелевской премии по физике. К этому времени он уже два года возглавлял созданный им в Копенгагене Институт теоретической физики, где продолжал работу над квантовой моделью атома. Кстати, над усовершенствованием теории Бора в те годы трудился не один Бор.

 «Область нашей работы превратилась из страны с малочисленным населением в донельзя перенаселенное государство». Из письма Бора Резерфорду

В 1924 году французский физик Луи де Бройль высказал идею, что элементарная частица одновременно является и частицей, и волной. Поэтому невозможно одновременно указать и координаты, и импульс, то есть траекторию ее движения. Это положение получило название «соотношение неопределенностей» или «принцип неопределенности».

Через три года немецкий физик Вернер Гейзенберг – один из создателей квантовой механики – дал математическое оформление идее Бройля.

В том же году Бор добавил к «соотношению неопределенности» так называемый «принцип дополнительности». Согласно этому принципу координата и импульс частицы являются взаимно дополнительными величинами. Теперь теория ядерного строения атома получила новое объяснение. Это новое толкование теории, сформулированное Бором и Гейзенбергом, стали называть «копенгагенской интерпретацией».

По новой теории Бора электроны не прикреплены к своей орбите, а как бы размазаны по атому. И даже не по кольцу, а по всей сфере. Мы не можем узнать, в каком именно месте в данный момент времени находится электрон и куда он движется. Электрон присутствует всюду, но с разной вероятностью.

Альберт Эйнштейн категорически не принял копенгагенскую интерпретацию. И спорил по этому поводу с Бором и на научных конгрессах, и в печати. Время показало, что оба гения были правы.

«Противоположность правильного высказывания – ложное высказывание. Но противоположностью глубокой истины может быть другая глубокая истина». Нильс Бор

Атом, который построили Томсон-Резерфорд-Бор, Зоммерфельд, Эренфест, Чедвик, Паули, Гейзенберг, Шрёдингер, Андерсон, Неддермейер, Юкава…

В 1914 году началась Первая мировая война. Манчестерская группа Резерфорда распалась. Кого-то из сотрудников призвали в армию. Кто-то был мобилизован для работы над военными проблемами. Бор вернулся в Копенгаген.

По заданию военного ведомства Резерфорд занимался разработкой акустических методов обнаружения подводных лодок. Но иногда ему удавалось выкроить время для собственных экспериментов. В одном из писем Резерфорд написал Бору, что он пытается взломать атом.

На взлом ушло несколько лет. Резерфорд расщепил атомное ядро в 1919 году.

Это было ядро атома азота. В результате бомбардировки альфа-частицами азот превратился в водород и кислород. Потом Резерфорду удалось расщепить ядра бора, фтора, натрия, алюминия – всего 17 легких элементов. Но на 18 элементе аргоне ядерные превращения закончились. Альфа-частицам не хватало мощности для проникновения в ядра более тяжелых элементов. И тогда Резерфорд решил повысить энергию альфа-частиц, разгоняя их в ускорителе.

Этот ускоритель по сути своей являлся философским камнем. Способом превращения одних веществ в другие. Мечтой средневековых алхимиков.

С осуществления Резерфордом первой ядерной реакции началась новая эпоха в физике. И не только в физике. Человечество шагнуло в атомный век.

К сожалению, свои первые шаги человечество сделало отнюдь не в сторону мирного атома. Сначала была создана атомная бомба, и только спустя два десятилетия атомная электростанция…

Первая цепная реакция была осуществлена в начале тридцатых годов.

И в то же самое время началась «цепная реакция открытий» новых элементарных частиц в составе ядра атома.

Правда, положительно заряженный протон Резерфорд обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер еще в 1919 году. А вот нейтрон был открыт только в 1932. Английский физик сэр Джеймс Чедвик получил за это открытие Нобелевскую премию.

Потом к семье элементарных частиц добавились позитроны и мюоны, мезоны и нейтрино.

В конце сороковых начале пятидесятых годов была открыта целая группа частиц с необычными свойствами – они всегда рождались парами, хотя не были частицей и античастицей. Их так и назвали: «странные». Первые из этих странных частиц – К-мезоны (или каоны) и Л-гипероны были открыты в космических лучах, а все остальные созданы на ускорителях.

В настоящее время физики обнаружили уже более трехсот элементарных частиц. Антипротоны и антинейтрино, резонансы, лептоны, кварки, антикварки…

Кстати, кварки и антикварки принадлежат к числу бесструктурных с точки зрения современной физики, то есть, неделимых частиц окружающей нас материи.

Пока неделимых!

Кварки и антикварки имеют по шесть разновидностей или ароматов: верхний, нижний, странный, очарованный, красивый и истинный.

Так вот, если мы теперь представим себе, что у нас есть самый острый в мире нож, возьмем некий материальный объект и начнем разрезать его на половинки, то, в конце концов, у нас останется совсем крохотный неделимый кусочек. Например,  очарованный кварк. Или странный антикварк. А может быть, даже истинный гравитон…

«Атом, который построил…» из цикла «Жизнь замечательных идей» 

Режиссер Татьяна Малова, «Цивилизация», 2010 год