Концепции атомизма и корпускулярно-волнового дуализма материи

Классическое описание мира, основанное на механике Ньютона и электромагнитной теории Максвелла, определило существование материи в двух ипостасях: в виде вещества и в виде поля. Это позволило адекватно объяснить процессы, происходящие в макромире при скоростях движения, значительно меньших скорости света. Однако научная мысль, неудержимо стремясь к расширению границ познания, всё чаще начинала сталкиваться с ограниченными возможностями классической концепции.

Развитие теории относительности привело к революционному изменению представлений о свойствах пространства-времени и движения при переходе к масштабам мегамира. Так же точно пределы применимости классической физики проявились при попытке проникнуть в глубь материи, в область микромира. В процессе равития теории строения атомов сложились совершенно новые представления о природе и свойствах микрочастиц материи.

Атомистическая концепция строения вещества, как уже отмечалось, возникла еще во времена античности. Интерес к ней возродился к началу XVIII в., когда трудами французского химика А. Лавуазье, русского ученого-энциклопедиста М. В. Ломоносова, английского физика и химика Джона Дальтона, итальянского ученого Амедео Авогадро было убедительно доказано существование атомов, которые считались неделимыми частицами материи. Основываясь на представлении об атомах и состоящих из них молекулах, удалось полностью объяснить эмпирические термодинамические законы (см. выше), выйдя тем самым на уровень их теоретического осмысления. Наука стала оперировать визуально ненаблюдаемыми объектами, а эмпирические данные о них получать косвенным образом на основе соответствующим образом организованных экспериментов.

В середине ХIХ в. было проведено четкое разграничение между понятиями атома и молекулы (итальянский химик Станислао Канниццаро). Атом стал пониматься как наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств, в отличие от молекулы – наименьшей частицы вещества, обладающей его химическими свойствами и состоящей из атомов, соединенных между собой химическими связями.

Важнейшее значение для развития атомистической теории и становления атомной физики как самостоятельной области науки имело открытие Д. И. Менделеевым в 1869 г. периодической системы элементов. Впервые был поставлен вопрос о сложном строении атомов.

Благодаря крупнейшим научным открытиям конца XIX – начала ХХ в. представления о неизменности и неделимости атомов были окончательно опровергнуты. В 1896 г. французский физик Антуан Беккерель обнаружил, что такой химический элемент, как уран, испускает неизвестное проникающее излучение, которое он назвал радиоактивным. Вскоре была установлена радиоактивность тория, а в 1898 г. французские физики Мария и Пьер Кюри открыли два ранее неизвестных химических элемента с радиоактивными свойствами – полоний и радий. Вскоре было установлено существование трех видов радиоактивного излучения, которые стали называть a-, b- и g-лучами. Со временем выяснилось, что альфа-излучение представляет собой поток ядер атома гелия, бета-излучение – поток электронов, а гамма-излучение – электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны.

Крайне важным оказалось то, что радиоактивное излучение с испусканием альфа-частиц сопровождается превращением одних химических элементов в другие, на что впервые указали английские физики Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди. Стало очевидным, что происходит превращение одних атомов в другие, т. е. атом вовсе не является неделимой частицей мироздания.

Одновременно, в 1897 г., английским физиком Джозефом Томсоном при исследовании так называемых катодных лучей, испускаемых при электрическом разряде в сильно разреженных газах, был открыт электрон. Эта частица существует только в заряженном состоянии, и лишить ее электрического заряда невозможно. Согласно современным воззрениям, заряд электрона представляет собой минимальный существующий в природе электрический заряд. Величина заряда электрона составляет примерно 4,6 ^. 10^–19 кулона (единицы электрического заряда, адекватной привычным для макромира масштабам). Масса электрона равна 0,91 ^. 10^–27 г.

Электрон стал рассматриваться как мельчайшая структурная составляющая любого атома. Дж. Томсон предложил первую модель атома: упругий сгусток положительно заряженного вещества с вкрапленными в него электронами, суммарный отрицательный заряд которых равен положительному заряду этого вещества, в результате чего атом оказывается электрически нейтральным.

Это представление сохранялось до 1911 г., когда в экспериментах Э. Резерфорда было открыто атомное ядро. Э. Резерфорд, исследуя прохождение альфа-частиц через вещество, обнаружил, что часть из них претерпевает значительное отклонение от первоначального направления, а некоторые даже отражаются в обратном направлении. Эти результаты позволили предположить, что большинство положительно заряженных альфа-частиц проходит через атом, не встречая сопротивления, а некоторая их часть встречает на своем пути положительно заряженное образование относительно малых размеров с относительно большой массой. На основе этих соображений
Э. Резерфорд предложил так называемую планетарную модель атома, в соответствии с которой в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по определенным орбитам вращаются электроны. Поскольку масса электрона ничтожно мала, практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, но при этом ядро занимает лишь малую область атома. Такая модель вполне удовлетворительно объясняла все эффекты, имевшие место при экспериментах с альфа-частицами.

Существовало, однако, одно обстоятельство, которое заставляло сомневаться в правомочности планетарной модели Резерфорда. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, периодически вращаясь вокруг ядра, электрон должен излучать электромагнитную волну, частота которой определяется частотой его вращения, т. е. радиусом орбиты. Однако в результате излучения электрон теряет энергию, поэтому он должен приближаться к ядру и вскоре, исчерпав всю энергию, упасть на него, что означало бы разрушение атома. На самом же деле атом является весьма устойчивым образованием, поэтому возникло серьезное противоречие, которое удалось устранить выдающемуся датскому физику Н. Бору с привлечением понятий квантовой физики.

Весьма информативным средством изучения структуры атомов оказался спектральный анализ – исследование спектров испускания и поглощения атомов различных химических элементов. Атомы вещества испускают излучение, находясь в возбужденном состоянии. Один из распространенных способов такого возбуждения – тепловой, когда небольшое количество вещества подвергается интенсивному тепловому воздействию и испаряется, переходя в газообразное состояние. Газообразное состояние может быть атомарным или молекулярным. В газообразном атомарном состоянии атомы вещества практически не взаимодействуют друг с другом, поэтому их излучение обусловлено в основном колебательным движением атомных электронов. Если это излучение ввести в спектральный прибор, то будет наблюдаться линейчатый спектр излучения (линейчатый эмиссионный спектр). В таком спектре присутствует излучение с ограниченным набором частот – в отличие от спектров непрерывных.

Простейшим спектральным прибором является всем известная стеклянная призма, которая разлагает солнечный свет в цветной спектр, состоящий из плавно сменяющих друг друга цветов радуги – от красного до фиолетового. Это как раз и есть непрерывный спектр. Такой спектр испускают вещества, находящиеся в состоянии, для которого характерно интенсивное взаимодействие атомов между собой (твердое и жидкое состояния, газ очень высокой плотности). Промежуточное положение между линейчатым и непрерывным спектром занимает полосатый спектр, который характерен для веществ, находящихся в газообразном молекулярном состоянии.

Важную информацию о составе веществ получают также с помощью исследования спектров поглощения, или абсорбционных спектров. Вещество при этом просвечивается излучением с непрерывным спектром, а затем по появившимся в спектре темным полосам определяется, излучение какой частоты оказалось поглощенным. Как правило, спектры испускания и поглощения атомов соответствуют друг другу, что свидетельствует об испускании и поглощении ими света одних и тех же частот.

С открытием электрона и введением планетарной модели атома стала очевидной связь эффектов испускания и поглощения света атомами с движением электронов и изменением их энергии. В соответствии с классической электродинамикой Максвелла, электрон, двигаясь по круговой орбите, испускает световую волну, частота которой должна плавно уменьшаться. Но в действительности все происходит не так: излучается отнюдь не непрерывный спектр, а ограниченный набор вполне определенных частот. Следовательно, уравнения классической электродинамики при переходе к описанию явлений микромира оказываются непригодными. Возникла необходимость найти совершенно новый подход к построению теории атома. Как уже отмечалось, этот подход был найден Н. Бором в процессе развития новых – квантовых – представлений о строении материи.