Представления об атоме в разные времена

Атом в Древней Греции, 5 в. до н. э.

Первые известные предположения о том, что материя состоит из мельчайших частиц, были высказаны древнегреческим философом Левкиппом, жившим в 5 веке до н.э. Само слово «атом» происходит от древнегреческого «ἄτομος», означающего «неделимый». Как видно, название атому было дано задолго до открытия субатомных частиц и успело настолько закрепиться в научных трудах и лексиконе, что пришлось сохранить его, несмотря на неполное отражение сути.

Считается, что Левкипп лишь заложил основы атомистики, а создание завершенной системы приписывается его ученику – Демокриту. В общем виде их представления можно сформулировать следующим образом: все чувственно воспринимаемые материальные вещи состоят из неделимых частиц, которые могут быть различны по форме и по-разному соединены в пространстве. Разнообразием атомов объяснялось различие в свойствах тел. Так, например огонь обжигает потому, что его атомы заостренные, а атомы воды гладкие, что позволяет ей течь. Душа человека, по мнению Демокрита, также состоит из атомов, причем все атомы невозможно воспринимать с помощью органов чувств – их можно только мыслить. Чувственно воспринимаемым же является только результат их соединения.

Корпускулы М.В. Ломоносова, 18 в. н. э.

Представление о материи Михаила Васильевича Ломоносова было аналогично представлениям Левкиппа и Демокрита. Для обозначения составляющих ее частиц в своих трудах он часто использовал термин «корпускула». Корпускулы, в его представлении, не только являлись структурной основой для всей материи, но и лежали в основе многих процессов, в том числе тепловых. В настоящее время этим предположениям нашли практические и теоретические доказательства, а дальнейшая разработка идеи привела к появлению ряда теорий, объясняющих поведение и физическую природу веществ.

«Пудинговая модель атома» Дж. Дж. Томсона, 1904 г.

Термин «корпускула» использовался не только М.В. Ломоносовым и долгое время встречался в лексиконе ученых разных стран, однако общего значения у него не было. Так, например, Джозеф Джон Томсон использовал этот термин для обозначения открытого им в 1897 году электрона. Предположив, что эти «корпускулы» являются составляющей частью атома, в 1904 году Дж. Томсон представил собственную модель его строения.

Согласно модели атома Томсона, атомы элементов состоят из нескольких отрицательно заряженных корпускул (т.е. электронов), помещенных в сферу, имеющую однородно распределенный положительный электрический заряд. Интересно, что до представления этой модели Томсон придерживался модели «туманного атома», считая атомы чем-то нематериальным, подобно Демокриту. С открытием же электронов атом приобрел в представлении Дж. Томсона материальную составляющую, хотя положительно заряженное «облако» так и осталось «туманным». Эта субстанция удерживала корпускулы, позволяя им двигаться в определенных пределах. Вылететь за пределы положительно заряженного облака не позволяла сила притяжения.

В математической модели атома Томсона движение корпускул определено кольцами, формируемыми в результате их взаимодействия. Подводя итог, представления Дж. Томсона можно сформулировать следующим образом: отрицательно заряженные материальные частицы расположены внутри положительно заряженного облака на неких кольцах-орбитах и удерживаются за счет притяжения и действия электрических сил.

Второе название, «пудинговая модель», было получено в результате сравнения с английским блюдом – пудинг с изюмом. Так, положительно заряженный пудинг удерживал отрицательно заряженные изюмины внутри. Интересно, что сам Томсон этого сравнения не проводил.

Модель Резерфорда-Бора, 1911 г.

Опровержение модели Томсона произошло в эксперименте по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге, проведенном в 1909 году. Эрнест Резерфорд, проанализировав результаты, в 1911 году предположил, что в атоме присутствует очень малое ядро, содержащее очень большой положительный заряд. Для золота, по его словам, этот заряда должен компенсировать отрицательный заряд около 100 электронов.

Появившаяся планетарная модель атома Резерфорда изначально казалась ошибочной, так как в соответствии с законами классической электродинамики движущийся электрон должен был терять энергию и, в конечном счете, «падать» на ядро. Расчеты показывали, что время, за которое электрон полностью теряет энергию в такой модели очень мало, а потому существование материи в известном нам виде было бы невозможно.

Спасти модель удалось Нильсу Бору, который ввел ряд постулатов, согласно которым электрон в ядре не имеет излучения и не теряет энергию. В результате в названии модели указаны оба ученых, а сама модель похожа на строение Солнечной системы: вокруг положительно заряженного и обладающего значительным весом «Солнца» по орбитам вращаются отрицательно заряженные «планеты», удерживаемые электрической силой притяжения. Ядро, согласно этой модели, состоит исключительно из протонов – дело в том, что в то время о существовании нейтронов еще не было известно.

Современное представление об атоме

В настоящее время стало известно, что электроны не могут иметь правильных орбит, из-за чего модель Резерфорда-Бора признана некорректной. В современном представлении движение электронов происходит по электронным оболочкам.