Атомная физика
Еще Левкипп и Демокрит выдвинули гениальную догадку, что вещество состоит из мельчайших частиц, называемых атомами.
Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены гораздо позднее в работах русского ученого М. В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Жозефа Пруста (1754–1826 гг.), английского химика Д. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.
Периодический закон Менделеева показал существование закономерной связи между всеми химическими элементами. До конца XIX в. в химии царило убеждение, что атом — это наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части.
Кроме того, в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие. Первыми указаниями на сложную структуру атома были опыты немецких ученых Кирхгофа и Бунзена по изучению спектров испускания и поглощения различных веществ, опыты по изучению ионизации, открытие и исследование так называемых “катодных лучей” и явления радиоактивности.
Кирхгоф и Бунзен обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий лишь этому элементу, набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения. Это означало, что свет испускается и поглощается отдельными атомами, а атом, в свою очередь, представляет собой сложную систему, способную взаимодействовать с электромагнитным полем.
Об этом же свидетельствовало явление ионизации атомов, обнаруженное при исследованиях электролиза и газового разряда. Это явление можно было объяснить, лишь предположив, что атом в процессе ионизации теряет часть своих зарядов или приобретает новые.
Свидетельством сложной структуры атома явились опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разряженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается, по возможности, весь воздух, затем сквозь нее пропускается ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются “невидимые” катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение легкоподвижные тела. Они отклоняются от своего первоначального пути в магнитном и электрическом поле.
Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд. Позже удалось определить их массу и величину заряда.
Оказалось, что масса частиц и величина их заряда не зависят ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Эти частицы получили название электронов.
В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического поля. Но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим полем. Так, например при электронной эмиссии металлы испускают электроны, при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов. Следовательно, атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких “составных частей”.
В 1896 г., изучая люминесценцию различных веществ, А. Беккерель случайно обнаружил, что соли урана излучают свет без предварительного их освещения. Это излучение обладает большой проникающей способностью и воздействует на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу.
Открытие электрона можно считать началом рождения атомной физики. Делались попытки построения моделей атома. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом устойчив и должен быть электрически нейтральным, то естественно было предположить наличие в атоме положительно заряженных частиц.
Первые модели атома на основе представлений классической механики и электродинамики появились в 1904 г., одна из них принадлежала японскому физику Хантаро Нагаока (1865–1950 гг.), а другая английскому физику Дж. Томсону.
Нагаока представил строение атома аналогичным строению Солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся “планеты” — электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.
В атоме Томсона положительное электричество “распределено” по сфере, в которую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодический закон Менделеева.
Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели. Эти факты были установлены Э. Резерфордом в 1912 г. В первую очередь следует отметить открытие им ядерного строения атома. Для выявления структуры атома он стал производить его зондирование с помощью α-частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других радиоактивных элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю
удвоенному заряду электрона.
В опытах Резерфорда пучок α-частиц падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (золото, медь и проч.). После прохождения фольги α-частицы попадали на экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождались сцинтилляцией (вспышкой света), которую можно было наблюдать. В отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных пучком α-частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, то вопреки ожиданиям α-частицы испытывали очень малое рассеяние на атомах фольги и распределялись на экране внутри круга чуть большей площади.
Совершенно неожиданным также оказалось, что небольшое число α-частиц (примерно 1 из 20 000) отклонилось на углы больше 90° , т. е. практически возвращались назад. Резерфорд понял, что положительно заряженная α-частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если в атомах мишени положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра — тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.
Подсчитывая число α-частиц, рассеянных на углы больше 90°, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядра имеют диаметр порядка 10⁻¹² – 10⁻¹³ см. Размер же самого атома — 10⁻⁸ см, т. е. в он 10–100 тыс. раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось точно определить и заряд ядра. Если принять заряд электрона за единицу, то заряд ядра окажется в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И Менделеева.
Изопытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель атома с положительно заряженным атомным ядром. Учитывая, что в целом атом должен быть электронейтрален, следует заключить, что число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Очевидно также, что находиться в покое электроны внутри атома не могут, так как они вследствие притяжения положительным ядром упали бы на него. Следовательно, они должны двигаться вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца.
Такой характер движения электронов определяется действием электрических кулоновских сил со стороны ядра.
В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836 раза большую массы электрона. Это ядро было названо Резерфордом протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома определяется радиусом орбиты движения его электрона. Такая наглядная планетарная модель атома, как уже говорилось, является прямым следствием экспериментальных результатов Резерфорда по рассеянию α-частиц на атомах вещества.
Однако вскоре выяснилось, что такая простая модель атома противоречит законам электродинамики, из которых следует, что эта модель является неустойчивой системой и длительное время атом указанной конструкции существовать не может. Дело в том, что движение электронов по круговым орбитам происходит с ускорением, а ускоренно движущийся заряд, по законам электродинамики Максвелла, должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому, как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы.
В действительности, однако, этого не происходит. Атомы устойчивы, могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.
Выход из создавшегося положения нашел выдающийся датский ученый Н. Бор. Он сделал радикальный вывод о том, что законы классической механики и электродинамики не применимы в микромире вообще и в частности в атоме. Тем не менее, чтобы сохранить планетарную модель атома Резерфорда, он сформулировал два постулата (постулаты Бора), идущие вразрез и с классической механикой, и с классической электродинамикой. Эти постулаты заложили основы принципиально новых теорий микромира — квантовой механики и квантовой электродинамики (квантовой теории электромагнитного поля). Обосновывая свои постулаты, Бор опирался на идею существования квантов электромагнитного поля, выдвинутую в 1900 г. Планком и затем
развитую Эйнштейном (для объяснения фотоэффекта).
Постулаты Бора заключаются в следующем: электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенным условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых, или квантовых, орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает энергию. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения.
В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов. Однако распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в многоэлектронном атоме, определить их орбиты, тем больше было расхождений результатов с экспериментальными данными. В ходе развития квантовой теории стало ясно, что эти расхождения носят принципиальный характер и связаны с так называемыми “волновыми свойствами” электрона.
Луи де Бройль распространил известный к тому времени принцип корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного поля на вещественные частицы микромира (атомы, электроны, протоны и т. д.). Напомним, что, согласно его идее, частицы (имеющие массу, заряд и т. д.) обладают и волновыми свойствами. При этом длина волны де Бройля (●) связана с им h пульсом частиц р и равна ● = � , где h — постоянная Планка.
В дальнейшем идея де Бройля нашла блестящее подтверждение в опытах К. Девисона и Л. Джермера (1927 г.), где наблюдалось явление дифракции электронов — классический пример волнового явления.
Развивая волновые идеи частиц микромира, Эрвин Шредингер (1887–1961 гг.) создал математическую волновую модель атома в виде знаменитого сейчас волнового дифференциального уравнения Шредингера
Анализ волнового уравнения Шредингера показал, что с его помощью можно определить все возможные дискретные значения энергии в атоме. Кроме того, было выяснено, что волновая функция Ψ(х) не позволяет абсолютно точно определить положение электронов в атомах, они расплываются в некое “облако”, и можно говорить лишь о вероятности нахождения частиц в том или ином месте атома, а квадрата аплитуды волны |Ψ(х)|² характеризует вероятность нахождения электронов в том или ином месте атома.
Учитывая законы квантовой волновой механики, стало ясно, почему оказалось невозможным точно описать структуру атома на основе представлений о боровских орбитах электронов
в атоме. Таких точно локализованных орбит в атомах просто не существует.
В настоящее время на основе квантовой механики, а также квантовой электродинамики — квантовой теории электромагнитного поля, разработанной в 1927 г. Полем Дираком (1902–1984 гг.), удалось объяснить многие особенности поведения многоэлектронных атомно-молекулярных систем. В частности, удалось разрешить важнейший вопрос о структуре атомов различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов.
В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Эти схемы позволяют объяснить многие физические и химические свойства элементов.
Как уже было сказано, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям. Каждому слою принадлежит определенное число заполняющих или какбы насыщающих его электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются близкими значениями энергии, т. е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней (n). Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Максимальное число электронов (N), могущих находиться на данном энергетическом уровне (n), равно N = 2n². То есть на первом уровне (n = 1) может находиться 2 электрона, на втором (n = 2) — 8 электронов, на следующем уровне — 18.
Электроны наружного слоя как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов.
Атомы, наоборот, присоединившие электроны, становятся заряженными отрицательно. Образующиеся таким путем заряженные частицы называются ионами. Многие ионы, в свою очередь, могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы, или в новые ионы с другим зарядом.
Подводя итог рассмотрения основных результатов квантовомеханических подходов к строению и структуре атомов, отметим следующее. Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами — n, l, m, s.
1) n — главное квантовое число, оно характеризует энергию электрона на соответствующей орбите;
2) l — орбитальное квантовое число, оно характеризует форму орбиты — “ электронного облака” и может изменяться в атоме от 0 до n – 1;
3) m — магнитное квантовое число, оно характеризует ориентацию орбит — “электронных облаков” — в пространстве; может принимать значения от + l до – l;
4) s — спиновое квантовое число, оно характеризует вращение электрона вокруг собственной оси.
Согласно одному из важнейших принципов квантовой механики, сформулированному швейцарским физиком Вольфгангом Паули (1900–1958 гг.), в атоме не может быть электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы. В рамках квантовой механики получили полное объяснение как структура атомов, так и изменение свойств химических элементов в периодической системе Менделеева.
Плодотворным оказалось применение квантовой механики также к физическим полям. Была построена квантовая теория электромагнитного поля — квантовая электродинамика, вскрывшая целый ряд фундаментальных законов микромира. Среди них важнейшие законы превращения двух видов материальных субстанций — вещественной и полевой материи друг в друга.
Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон — частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя.
Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предсказанию существования античастиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой “двойник” — другая частица с той же массой, но с противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик Поль Дирак предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в паруэлектрон — позитрон и обратно. Позитрон — античастица электрона экспериментально был открыт в 1932 г. Карлом Дейвидом Андерсоном (1905–1991 гг.) в космических лучах.
