Основы физики микромира. Строение атома

 

Новая физика началась с изучения строения атома. Атомизм, забытый в Средние века, был возрожден в ходе первой глобальной научной революции Р. Декартом и сохранился практически в первоначальном виде до конца XVIII в. Но реальность существования атомов, атомное строение вещества было установлено лишь в XIX в., после открытия броуновского движения.

Отказ от классического представления об атомах произошел в 1897 г., когда Дж. Томсоном был открыт электрон – отрицательно заряженная частица, входящая в состав всех атомов. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом электронейтрален, было сделано предположение, что в нем помимо электрона должна быть положительно заряженная частица. Опыты Э. Резерфорда, в которых он бомбардировал альфа-частицами (дважды ионизированными атомами гелия) листки металлической фольги, показали, что альфа-частицы отклоняются при ударе на самые разные углы, в том числе и на 180°. Это означало, что частицы встречают на своем пути массивную, положительно заряженную преграду очень малых размеров.

Так было открыто атомное ядро – положительно заряженная микрочастица, которая намного меньше атома, но в ней почти полностью сосредоточена его масса.

Еще один шаг к углублению знаний о строении материи был сделан при открытии радиоактивности А. Беккерелем в 1896 г., когда он случайно обнаружил, что соли урана засвечивают лежащую в столе фотопластинку. В ходе дальнейших исследований, в которых важнейшую роль сыграли супруги П. и М. Кюри, было установлено, что некоторые элементы в естественных условиях могут испускать радиоактивные лучи и в результате превращаться в другие химические элементы. Эти открытия опровергали представления об атомах как о твердых и неделимых структурных элементах вещества.

Первая модель атома принадлежит Дж. Томсону. В ней атом похож на «пудинг с изюмом», где «пудинг» – это сам атом, а роль «изюма» играют электроны. Иными словами, атом представлял собой положительно заряженную сферу диаметром около 10^-10 м, в которую «вкраплены» электроны. При этом электроны группировались вокруг центра сферы, а масса атома равномерно распределялась по его объему.

Более удачная модель атома была предложена Резерфордом после его опытов с альфа-частицами в 1911 г. Это была так называемая планетарная модель атома, напоминавшая Солнечную систему. В центре атома находилось положительно заряженное ядро, вокруг которого вращались отрицательно заряженные электроны, похожие на маленькие планеты.

Другое направление исследований было связано с изучением поля и волновых процессов в нем. Ведь к началу XX века в физике существовало два противоположных представления о материи – корпускулярное и континуальное. Тогда считалось, что они никак не связаны друг с другом.

Одной из сложнейших проблем физики этого времени было построение теории теплового излучения абсолютно черного тела. Дело в том, что в соответствии с расчетами классической электродинамики, оно должно было неограниченно возрастать, а это явно противоречило опыту. И в 1900 г. М. Планк предположил, что излучение «энергии в этом случае происходит не непрерывно, а определенными порциями – квантами. Эта гипотеза стала началом новой эры в физике, так как ее начали применять с большой пользой для объяснения других явлений, также не поддававшихся объяснению в рамках классической физики.

Так, в 1905 г. А. Эйнштейн ввел понятие кванта света и использовал его для объяснения фотоэффекта. При этом было доказано, что свет обладает одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами. Так появилось понятие о корпускулярно-волновом дуализме, позже распространенном на весь микромир. Это был революционный шаг – признать, что свет распространяется как волна, но излучается и поглощается как частица. После этого стало понятно, как возникает фотоэффект – выбивание электрона из вещества под действием света: фотон выбивал электрон, если он имел достаточную энергию (а значит, достаточно большую частоту), способную преодолеть силы связи электрона с веществом.

В 1913 г. Н. Бор применил идею кванта для решения вопроса о строении атома, уточнив планетарную модель атома Резерфорда. Бор показал, что система атома существует на основе электромагнитных сил, а не гравитационных, как считал Резерфорд. Также модель атома Бора уточняла, что в каждом атоме существует несколько стационарных орбит электронов, двигаясь по которым, они не излучают энергии. Лишь при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает энергию.

Модель атома Бора хорошо описывала атом водорода – самого простого из всех возможных элементов, так как он состоял из одного протона и одного электрона. Когда же он попытался распространить свою модель на многоэлектронные атомы, то столкнулся с большими трудностями. Полученные на практике орбиты электронов в таком атоме сильно расходились с расчетными значениями, в связи с чем пришлось признать, что электрон тоже обладает волновой природой. Поэтому электрон – не шарик, не точка, он обладает особой внутренней структурой, которая до сих пор неизвестна. В действительности электроны как бы «размазаны» по атому, образуя электронное облако.

Следующий шаг в создании новой теории был сделан Луи де Бройлем, выдвинувшим в 1924 г. гипотезу о волновых свойствах материи. Он довел идею кванта до логического конца и утверждал, что волновые свойства присущи не только квантам света и электронам, но и протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Длина волны определяется формулой λ = h / mv. Разумеется, применительно к макроскопическим телам это не реальные волны, а абстрактно-математические или, как их назвал М. Борн, «волны вероятности». Также их называют волнами де Бройля. Экспериментальные свидетельства, подтверждающие идею ученого, были получены в 1927 г. с открытием явления дифракции электрона. Позже была открыта дифракция нейтронов, атомов и даже молекул.

Так корпускулярно-волновой дуализм стал важнейшим свойством материи на микроуровне. Любой объект демонстрирует как свойства частицы, так и свойства волны. В силу этого любая микрочастица обладает дополняющим друг друга набором характеристик, что приводит к осознанию того факта, что существовавшее длительное время деление материи на поле и вещество на самом деле весьма условно.

Поле и вещество

 

В литературе часто основные формы материи подразделяют на поле и вещество. Такое деление имеет некоторый смысл, но оно ограниченно. Под веществом подразумевают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств.

Но поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет «занято» полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (примерно 10^-36 – 10^-40 объема), т.е. поля входят в структуру вещества. В свою очередь квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в пространстве. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно – в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества также нельзя представлять в виде каких-то микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей, и не существует абсолютно четкой границы, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. В пограничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц.

Мир элементарных частиц

 

Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атома к уровню элементарных частиц. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных частиц, которые можно было бы назвать элементарными. В строгом смысле слова такие частицы не должны содержать в себе каких-либо других элементов.

Однако в обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.