Человечество всегда задавалось вопросом: из чего состоит мир вокруг нас? Давным-давно умные мужи предположили, что вся материя состоит из атомов. Сегодня этот факт воспринимается как что-то само собой разумеющееся. Общие представления о том, что же такое атом, начали формироваться с начала XIX века и уточнялись на протяжении последующих 150-200 лет. Более того, даже за этот небольшой период мнения о его внешнем виде и строении менялись несколько раз. И нет никаких гарантий, что ученые пришли к окончательному мнению по этому вопросу. «О, сколько нам открытий чудных готовит просвещенья дух», – как писал Александр Сергеевич Пушкин.
Демокрит.
Слово «атом» происходит от древнегреческого «ἄτομος» и переводится как «неделимый». Согласно известным источникам, впервые об атоме заговорили древнегреческий философ Демокрит (460-370 гг. до н. э.) и его наставник Левкипп. Именно философы в те далекие годы занимались наукой. Они выдвинули идею о том, что все в мире состоит из атомов – невидимых и неделимых частиц различной формы и размеров. Демокрит предположил, что атомы отличаются своей формой в зависимости от типа. Например, атомы железа представлялись ему в виде крючков, которые цеплялись друг за друга, что объясняло, почему железо было твердым. А атомы воды были гладкими и скользкими, поэтому вода была жидкой при комнатной температуре. И хотя последующие исследования эти предположения опровергли, так была заложена основа будущих атомных моделей. Дальнейшее развитие и изучение этой теории стали возможны лишь более двух тысяч лет спустя, когда наука и технологии получили своё развитие.
Джон Дальтон.
Графическое представление модели атома было предложено лишь в 1803 году английским химиком Джоном Дальтоном. Он взял за основу идеи древних греков, описывавших атомы как маленькие твердые неделимые сферы, и предположил, что атомы одного элемента идентичны друг другу. Дальтон также придумал теорию о том, как атомы объединяются и образуют соединения, а также представил первый набор химических символов для известных элементов. Его представление атомной теории принято считать началом развития современной модели атома.
Крупные открытия в строении самого атома произошли лишь к концу XIX века.
Джозеф Джон Томсон.
Очередной этап в изучении строения атома произошел в конце 1800-х годов благодаря английскому физику Джозефу Джону Томсону, который обнаружил, что атом не является столь уж неделимым, как считали ранее. Он проводил эксперименты с использованием катодных лучей (электронных пучков), возникающих в разрядной трубке, и обнаружил, что лучи притягиваются положительно заряженными металлическими пластинами, но отталкиваются отрицательно заряженными. Изучая частицы в лучах, он смог сделать вывод о том, что они в две тысячи раз легче, чем водород. Его опыты также продемонстрировали, что эти частицы присутствуют во многих типах атомов. Эти частицы он назвал «корпускулами», позднее по отношению к ним стали применять термин «электрон» (от греческого слова «ἤλεκτρον» – «янтарь»). В результате своих опытов Томсон доказал, что атомы не являются неделимыми.
В 1904 году он предложил новую теорию о строении атома, основанную на его выводах, и назвал её моделью «сливового пудинга». Данная модель представляла атом как положительно заряженную массу с крошечными отрицательными зарядами – электронами, находящимися в сфере, как сливы в пудинге. Модель Томсона была через некоторое время опровергнута его учеником, но за свое открытие он успел получить Нобелевскую премию в 1906 году.
Эрнест Резерфорд.
В начале 1900-х годов интерес ученых к изучению радиоактивности возрос. Эрнест Резерфорд во время своей работы по изучению радиоактивного распада открыл альфа-, бета- и гамма-лучи. Он хотел разработать метод рассеяния альфа-частиц, чтобы использовать его для исследования структуры атома, и провел эксперимент с золотой фольгой, также известный как эксперименты Гейгера – Марсдена. Экспериментальная установка состояла из контейнера с радием, испускающим альфа-частицы, на пути которых ставилась тонкая металлическая фольга, а за фольгой устанавливался экран, покрытый сульфидом цинка. Он вспыхивал каждый раз, когда в него попадала альфа-частица. Резерфорд ожидал, что частицы будут пролетать сквозь фольгу и ударяться об экран позади нее. Хотя большинство частиц действительно вели себя так, как ожидалось, некоторые из них отклонялись на угол более 90 градусов.
Опираясь на свои наблюдения, он предложил новую модель атома: большая часть массы атома сосредоточена в положительно заряженном центре, вокруг которого электроны вращаются, как планеты вокруг Солнца. Этот самый центр он позже назвал «Nucleus» (в переводе с латинского — «ядро, орех»).
Нильс Бор.
Уже через год после публикации атомной теории Резерфорда Нильс Бор обнаружил несоответствия в этой модели. Он считал, что если бы электроны вращались вокруг положительно заряженного центра, то в какой-то момент они потеряли бы свою энергию и упали на ядро, сделав атомы нестабильными. Но этого не происходило: атомы были довольно стабильны, за исключением радиоактивных. Для дальнейших исследований ему на помощь пришла квантовая физика. Он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по фиксированным орбитам или оболочкам. Оболочка, расположенная ближе к ядру, имеет более низкую энергию, а самая дальняя – самую высокую. Если электрон переходит на орбиту с более низкой энергией, он отдает дополнительную энергию в виде излучения. Тем самым поддерживается атомная стабильность. Несмотря на то что модель Бора не соответствует действительности для сложных многоэлектронных систем, она по-прежнему является наиболее популярным представлением об атомной структуре.
Эрвин Шредингер.
С установлением квантового поведения таких сущностей, как электрон, стало очевидно, что модель атома Бора не удовлетворяет принципу неопределенности Гейзенберга, согласно которому невозможно узнать точное положение и траекторию движения электрона в атоме. А это значит, что он не может существовать на фиксированной орбите, как предполагал Бор. Эрвин Шредингер предложил свою квантово-механическую модель атома. В ней электроны вращаются вокруг ядра не по круговым орбитам, а в виде электронных облаков на атомных орбиталях, которые представляют собой области внутри атома, где вероятность нахождения электрона наиболее высока. Он также сформулировал волновое уравнение Шредингера, которое помогает точно рассчитать энергию уровней электронов в атоме. Эта новая и усовершенствованная модель атома не говорит нам, где находится электрон, но дает понимание того, где он может находиться.
Каждый шаг в развитии атомной теории приближал нас к пониманию секретов субатомных частиц, управляющих нашим миром. Как скоро ученые порадуют нас новыми открытиями о строении атома и его свойствах? Учитывая, какими семимильными шагами развитие науки идет вперед, новые теории не за горами.