Как все мы помним, идея, что весь мир состоит из мельчайших частиц, берет свое начало с древних времен. Древнегреческие философы Демокрит и Левкипп, как и все тогда предложили чисто умозрительную идею, что все вокруг состоит из мельчайших элементов, которые они назвали атомы. Слово атом означает неделимый, мы до сих пор пользуемся этим названием, хотя как оказалось позже, свойства атома в корни противоречат его определению как неделимого.
Модель Томсона
В 1897 году Джозеф Томсон открыл электрически отрицательную часть атома - электрон, и выдвинул модель устройства атома. Его задача состояла в том чтобы объяснить электрическую нейтральность атома. То есть сами атомы не отклонялись магнитным полем, не ускорялись электрическим, зато на это были способны электроны. Томсон предположил, что атом состоит из положительно заряженного вещества, в котором распределены отрицательно заряженные электроны. Модель Томсона опроверг Резерфорд, показав, что положительный заряд не распределен по всему атому, а сосредоточен в центре.
Модель Резерфорда
Эрнест Резерфорд в 1911 провел эксперимент, показавший, что атом почти полностью пустое пространство, а положительный заряд собран в центре атома. Положительный центр атома он назвал ядром, причем как показал тот же эксперимент диаметр ядра в сто тысяч раз меньше диаметра атома, но при этом почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
На основе этих данных он предложил планетарную модель атома, которая говорила, что электроны, открытые Томсоном, вращались по окружностям вокруг ядра, примерно как планеты вокруг Солнца. Такая красивая, элегантная модель, к сожалению, противоречила известным тогда законам физики. Прошлые теории утверждали, что заряженные частицы, двигающиеся с ускорением должны излучать электромагнитные волны, и терять энергию. Движение электронов по окружностям вокруг ядра это движение с ускорением, поэтому электроны должны были излучать электромагнитные волны, терять из-за этого энергию, и в конце концов упасть на ядро. Численные расчета показали, что падение электрона на ядро должно произойти за миллионные доли секунды. То есть теория предсказывала нестабильность атома, которая как вы понимаете, не наблюдается. Как оказалось позже та механика, то есть раздел физики, изучающий движение тел, которая опиралась на опыт с большими телами (планеты, снаряды), не работает в микромире, поэтому пришлось создать новую теорию, которая бы согласовывалась с экспериментами и предсказывала результаты новых.
Квантовая механика
Было бы очень интересно обсудить причины и последствия создания квантовой механики, теории лежащей в основе всей химии, электронно-вычислительных устройств (телефонов, компьютеров), лазеров, но этот разговор не для маленькой статьи.
Одна из главных причин, почему нельзя применять классическую механику к микромиру заключается в различном влиянии измерения на макросистему и на микросистему. Представьте, что у вас есть на столе яблоко, и вы хотите узнать его положение, сделать это в темноте невозможно, поэтому вам нужно посветить на яблоко светом, свет отразится от него, прилетев вам в глаза, тем самым укажет положение интересующего вас объекта. То есть для того чтобы узнать что-нибудь о системе с ней необходимо провзаимодействовать, в случае с яблоком свет оказывает на него ничтожно малое действие, что не скажешь про микрочастицы.
Теперь если мы захотим узнать положение электрона в атоме, то нам также нужно провзаимодействовать с ним, но такое действие уже окажет существенное влияние на электрон. Импульс частиц света соизмерим с импульсом электрона, тем самым при наблюдении они будут изменять положение электрона, делая его непредсказуемым.
Невозможно предсказать результат одного эксперимента для микрообъектов, можно лишь предсказать вероятность какого-либо результата.
Также важно осознать, что электрон до измерения не находился в каком-то конкретном положении, а наше измерение изменило это положение. Электрон находился в состоянии суперпозиции. То есть находился как бы во всех места одновременно. Слово “как бы” используется, потому что мы не в состоянии представить такое, наш опыт основан на взаимодействии с макротелами, которые не мог находиться во всех местах одновременно. Путь к правильному, но не визуальному пониманию лежит через математику, лишь она способна описать микросистемы и правильно предсказать вероятности результатов эксперимента.
Как же устроен атом?
Вспомните модель Резерфорда, там электроны вращались по круговым орбитам вокруг ядра, и вся проблема была в том, что классическая физика предсказывала падения электронов на ядро, но этого не происходит. Проблема в том, что у электрона нет траектории, это понятие применимое к макрообъектам, не применимо к микрообъектам.
Для описания движения тела в классической механике необходимо знать координату и скорость этого тела. В квантовой механике эти понятия заменяются более абстрактным математическим понятием - волновая функция. Она определяет области пространства, где может быть обнаружен электрон в атоме.
Эрвин Шредингер, тот самый любитель “живомертвых” котов, написал уравнение, решив которое, мы получим волновую функцию для конкретного атома.
На картинке мы видим различные участки пространства, где может находиться электрон. Для разных атомов эти участки разные, например, для самого простого атома-водорода этот участок представляет собой сферу. Это значит, что мы можем во время измерения найти электрон в каком-то из мест этой сферы, но предсказать заранее в каком именно, невозможно.
Эта статья носит чисто ознакомительный характер и не ставит цели в виде полного понимания вопроса, она стремится донести, что мир не так прост, как иногда кажется.
