Поначалу о строении атомов было известно одно: внутри них есть электроны (их окончательное открытие Дж. Дж. Томсоном состоялось в 1897 году).
А что еще? Это должно быть нечто положительно заряженное и тяжелое, обеспечивающее практически всю массу атома.
До 1911 года единственной гипотетической моделью атома была модель Томсона. Он предположил, что положительный заряд и масса равномерно распределены по объему атома. Электроны «вкраплены» в эту массу, подобно изюму в тесте (модель так и называли: «пудинг с изюмом»).
Эрнст Резерфорд, прославившийся своими исследованиями радиоактивности, решил «прощупать» атом, бомбардируя его альфа-частицами. Он обнаружил, что отдельные частицы отклонялись на очень большие углы — до 180˚ (доля таких частиц была около 1/8000) (см. рис.).
Позднее Резерфорд говорил: «Это было самое невероятное событие в моей жизни. Это было столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист бумаги, а он полетел бы в обратном направлении и попал в вас».
Резерфорд сделал вывод, что каждое большое отклонение появляется в результате прямого попадания частицы в очень малое по размеру положительно заряженное ядро, в котором и сосредоточена практически вся масса атома (суммарная масса электронов в тысячи раз меньше).
В планетарной модели атома Резерфорда электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Радиус самой большой электронной орбиты и задает границу атома.
Казалось, планетарная модель — единственно возможная трактовка результатов эксперимента. Однако эта модель противоречит законам классической электродинамики. Ведь при движении с ускорением (а движение по орбите — это движение с ускорением) электрон должен излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию. Расчеты показали, что из-за этого излучения электрон должен упасть на ядро быстрее, чем за стомиллионную долю секунды!
Планетарную модель Резерфорда спас молодой теоретик Нильс Бор. Он предположил, что для электронных орбит в атоме законы классической физики недействительны (ведь события 1900 и 1905 годов уже выявили непригодность классических законов для объяснения теплового излучения и фотоэффекта).
Бор постулировал наличие особых стационарных орбит для электронов в атоме, находясь на которых электроны не излучают. Излучение может происходить только при переходе с одной стационарной орбиты на другую.
Благодаря теории Бора идеи квантования (дискретного характера физических величин в микромире) распространились не только на свет, но и на другие объекты микромира.
Оказалось, в частности, что квантуется энергия электронов в атоме. Это вскоре было подтверждено в опытах. Теория Бора стимулировала постановку многих экспериментов, принесших новые открытия.
Позднее была построена квантовая механика Шредингера, необходимость в боровских постулатах отпала.
У электрона в атоме не может быть определенной траектории, как это предполагалось в теории Бора. Можно говорить лишь о вероятности нахождения электрона в том или ином месте пространства.
Электрон как бы размазан вокруг ядра в виде «электронного облака» той или иной конфигурации. С отличной от нуля вероятностью он даже может находиться в пределах ядра! Но «отщипнуть кусочек» от электронного «облака» невозможно: при любых измерениях мы обнаружим целый электрон.
Области наиболее вероятного пребывания электрона в атоме называют орбиталями. Их изображают в виде трехмерных рисунков (в изометрической проекции на плоскость).
Есть орбитали сферические, гантелеобразные и прочие, еще более сложных форм (см. рис.). У них нет четких пространственных границ — строго говоря, они простираются до бесконечности.
Орбитали можно уподобить пустым квартирам, в которых может поселиться электрон. Даже в атоме водорода с одним единственным электроном имеется бесконечное число возможных орбиталей.
Электрон обычно «живет» на орбитали, соответствующей самому низкому из возможных значений энергии, — такое состояние атома называют основным. Состояния с более высокими значениями энергии называют возбужденными.
Раз у орбиталей нет четких границ, понятие «размер атома» становится весьма условным.
За размер атома принимают расстояние, на котором вероятность нахождения электрона максимальна. В этом смысле диаметр атома водорода в основном состоянии равен примерно 0,1 нм (10-10 м). Но в возбужденных состояниях он может быть в тысячи раз больше!
Больше о научных открытиях, физике и космосе читайте в книге “Физика для всех: от атома до космоса” (12+): https://ast.ru/book/fizika-dlya-vsekh-ot-atoma-do-kosmosa-877943/
Что такое "шумовое загрязнение", почему одни звуки разрушают наш организм, а другие — лечат? Кто постареет быстрее: человек на Земле или космонавт, летящий к другой планете? Откуда берется вездесущая радиация и как она на нас воздействует? Какие цвета нужно смешать, чтобы получить белый? Какие "ингредиенты" нужны для создания Вселенной: обычная и темная материя, темная энергия — что еще?
Физика не только придумывает самые интересные загадки, но и дает на них точные, обоснованные ответы. Не верите? Тогда попробуйте посчитать, чего больше: звезд во всей видимой Вселенной, песчинок на всех пляжах Земли или молекул в стакане воды? Ответ на эти и многие другие вопросы вы найдете на страницах этой книги.
