Атомная теория

Атомная теория — физическая теория, предполагающая, что всё на свете состоит из мельчайших частиц — атомов, скреплённых между собой ядерными и электрическими силами. В XX веке на практике было доказано, что атом можно разделить на ещё более мелкие — субатомные — частицы.

История

Атомизм

В древнегреческой философии, а позднее и в средние века, люди предполагали, что вещи вокруг них состоят из двух частей: неделимые атомы, каким-то образом сцепленные друг с другом, и из пустоты между атомами. Атомы считались вечными и неразрушимыми корпускулами. Эта позиция была отражена в трудах таких философов, как Демокрит или Левкипп, но никаких доказательств этой теории в то время не было.

Первая теория строения атома

В конце XVIII века были открыты химические законы сохранения:

• Закон сохранения массы, открытый в 1789 году Антуаном Лораном Лавуазье, гласит, что масса реактивов во время химической реакции не меняется;
• Закон постоянства состава, открытый в 1799 году Жозефом Луи Прустом, гласит, что любое определённое химическое соединение, не зависимо от способа его получения, состоит из одних и тех же химических элементов;
• Закон кратных отношений, открытый в 1803 году Джоном Дальтоном, гласит, что отношения масс одного элемента к другому будет целым числом.

Эти законы не могли бы исполняться с такой точностью, если бы материя была дискретной структурой. Но в то время была не совсем ясна структура того, что сейчас мы называем «молекулой». В 1811 году Амедео Авогадро провёл серию опытов с газом и выяснил, что два литра водорода реагируют только с одним литром кислорода при получении водяного пара. А с открытием в 1827 году броуновского движения, стало очевидно, что материя состоит из отдельных частиц — атомов, способных собираться в группы — молекулы, то есть была создана атомная теория строения вещества.

Открытие субатомных частиц

До 1897 года атомы считались неделимыми. В 1897 году Джозеф Джон Томсон провёл опыт с круксовой трубкой, в котором впервые наблюдался электрон. На катод подавалось некое напряжение и, как впоследствии оказалось, в таких условиях катод излучает пучки электронов. Томсон выяснил, что эти пучки отклоняются при воздействии на них электромагнитным полем. Сам Томсон называл эти частицы корпускулами, но позднее им дали отдельное имя — электроны.

Открытие ядра атома

Модель атома Томсона была опровергнута в 1909 году учеником Томсона — Эрнестом Резерфордом. Последний обнаружил, что атом не однороден по своей структуре: в центре находится массивное положительное плотное ядро, а вокруг него, как планеты вокруг Солнца, летают электроны.

Оказалось, если обстреливать альфа-частицами тонкий лист золота, то альфа-частицы будут отклоняться на разные углы, причём часть из них — на угол больше <math> \cfrac {\pi} {2}</math> а такое может быть только если массивная положительная альфа-частица встречает на своём пути достаточно массивное положительное препятствие.

Создание квантовой теории атома

У планетарной модели был ряд недостатков, из которых самым существенным был недостаток, связанный с теоретически верной потерей энергии электрона: так как электрон вращается вокруг атома, то на него действует центростремительное ускорение, а по формуле Лармора любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает. То есть теряет энергию. А если электрон теряет энергию, то в конце концов он должен упасть на ядро, чего в реальности не происходит.

В 1913 году Нильс Бор предположил, что электрон может вращаться не как угодно, а на строго определённых орбитах, не меняя своей энергии сколь угодно долгое время. Переход с орбиты на орбиту требует определённой энергии — кванта энергии.

Открытие изотопов

В 1907 году радиохимиком Фредериком Содди было обнаружено, что существуют вещества с одинаковыми химическими свойствами, но отличающиеся числом нейтронов.

Открытие делимости ядра

В 1930 году было обнаружено, что если высокоэнергетичные альфа-частицы попадают на некоторые лёгкие элементы, то последние излучают лучи с необычно большой проникающей способностью. Это излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные остальные лучи. В 1932 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин, то образуются протоны высоких энергий, не сходящиеся с теоретическими расчётами. Физик Джеймс Чедвик предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провёл серию экспериментов^{[каких?]}, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами.

Открытие атомных орбиталей

В 1924 году Луи Де Бройлем было предположено, что все частицы связаны с волной, названной впоследствии волной де Бройля с частотой <math> \nu = \cfrac {E} {h} </math> и с длиной волны <math> \lambda = \cfrac {h} {p} . </math>

В 1926 году было записано уравнение Шрёдингера, описывающее субатомные частицы как волны. Чуть позже Макс Борн предположил, что корпускулярно-волновой дуализм верен не только для фотонов, но и в принципе для всех частиц. Было введено понятие орбитали — место наиболее вероятного нахождения электрона данного атома. Ведь теоретически электрон может быть очень редко обнаружен на любом расстоянии от атома, но чаще всего он находится где-то рядом с оным, как раз «на орбитали».

Теория строения атома в культуре

• Достаточно известно высказывание Р. Фейнмана:

Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными, и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то, какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза: все тела состоят из атомов - маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольших расстояниях, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения. [www.gubkin.ru/personal_sites/raykinaln/Pred_prepod.pdf Р. Фейнман].

• Модель атома в упрощёном виде является одним из известных символов науки.

Отрывок, характеризующий Атомная теория

– Да, im Raum verlegen, [перенести в пространство (нем.) ] – повторил, злобно фыркая носом, князь Андрей, когда они проехали. – Im Raum то [В пространстве (нем.) ] у меня остался отец, и сын, и сестра в Лысых Горах. Ему это все равно. Вот оно то, что я тебе говорил, – эти господа немцы завтра не выиграют сражение, а только нагадят, сколько их сил будет, потому что в его немецкой голове только рассуждения, не стоящие выеденного яйца, а в сердце нет того, что одно только и нужно на завтра, – то, что есть в Тимохине. Они всю Европу отдали ему и приехали нас учить – славные учители! – опять взвизгнул его голос.
– Так вы думаете, что завтрашнее сражение будет выиграно? – сказал Пьер.
– Да, да, – рассеянно сказал князь Андрей. – Одно, что бы я сделал, ежели бы имел власть, – начал он опять, – я не брал бы пленных. Что такое пленные? Это рыцарство. Французы разорили мой дом и идут разорить Москву, и оскорбили и оскорбляют меня всякую секунду. Они враги мои, они преступники все, по моим понятиям. И так же думает Тимохин и вся армия. Надо их казнить. Ежели они враги мои, то не могут быть друзьями, как бы они там ни разговаривали в Тильзите.
– Да, да, – проговорил Пьер, блестящими глазами глядя на князя Андрея, – я совершенно, совершенно согласен с вами!
Тот вопрос, который с Можайской горы и во весь этот день тревожил Пьера, теперь представился ему совершенно ясным и вполне разрешенным. Он понял теперь весь смысл и все значение этой войны и предстоящего сражения. Все, что он видел в этот день, все значительные, строгие выражения лиц, которые он мельком видел, осветились для него новым светом. Он понял ту скрытую (latente), как говорится в физике, теплоту патриотизма, которая была во всех тех людях, которых он видел, и которая объясняла ему то, зачем все эти люди спокойно и как будто легкомысленно готовились к смерти.
– Не брать пленных, – продолжал князь Андрей. – Это одно изменило бы всю войну и сделало бы ее менее жестокой. А то мы играли в войну – вот что скверно, мы великодушничаем и тому подобное. Это великодушничанье и чувствительность – вроде великодушия и чувствительности барыни, с которой делается дурнота, когда она видит убиваемого теленка; она так добра, что не может видеть кровь, но она с аппетитом кушает этого теленка под соусом. Нам толкуют о правах войны, о рыцарстве, о парламентерстве, щадить несчастных и так далее. Все вздор. Я видел в 1805 году рыцарство, парламентерство: нас надули, мы надули. Грабят чужие дома, пускают фальшивые ассигнации, да хуже всего – убивают моих детей, моего отца и говорят о правилах войны и великодушии к врагам. Не брать пленных, а убивать и идти на смерть! Кто дошел до этого так, как я, теми же страданиями…
Князь Андрей, думавший, что ему было все равно, возьмут ли или не возьмут Москву так, как взяли Смоленск, внезапно остановился в своей речи от неожиданной судороги, схватившей его за горло. Он прошелся несколько раз молча, но тлаза его лихорадочно блестели, и губа дрожала, когда он опять стал говорить:
– Ежели бы не было великодушничанья на войне, то мы шли бы только тогда, когда стоит того идти на верную смерть, как теперь. Тогда не было бы войны за то, что Павел Иваныч обидел Михаила Иваныча. А ежели война как теперь, так война. И тогда интенсивность войск была бы не та, как теперь. Тогда бы все эти вестфальцы и гессенцы, которых ведет Наполеон, не пошли бы за ним в Россию, и мы бы не ходили драться в Австрию и в Пруссию, сами не зная зачем. Война не любезность, а самое гадкое дело в жизни, и надо понимать это и не играть в войну. Надо принимать строго и серьезно эту страшную необходимость. Всё в этом: откинуть ложь, и война так война, а не игрушка. А то война – это любимая забава праздных и легкомысленных людей… Военное сословие самое почетное. А что такое война, что нужно для успеха в военном деле, какие нравы военного общества? Цель войны – убийство, орудия войны – шпионство, измена и поощрение ее, разорение жителей, ограбление их или воровство для продовольствия армии; обман и ложь, называемые военными хитростями; нравы военного сословия – отсутствие свободы, то есть дисциплина, праздность, невежество, жестокость, разврат, пьянство. И несмотря на то – это высшее сословие, почитаемое всеми. Все цари, кроме китайского, носят военный мундир, и тому, кто больше убил народа, дают большую награду… Сойдутся, как завтра, на убийство друг друга, перебьют, перекалечат десятки тысяч людей, а потом будут служить благодарственные молебны за то, что побили много люден (которых число еще прибавляют), и провозглашают победу, полагая, что чем больше побито людей, тем больше заслуга. Как бог оттуда смотрит и слушает их! – тонким, пискливым голосом прокричал князь Андрей. – Ах, душа моя, последнее время мне стало тяжело жить. Я вижу, что стал понимать слишком много. А не годится человеку вкушать от древа познания добра и зла… Ну, да не надолго! – прибавил он. – Однако ты спишь, да и мне пера, поезжай в Горки, – вдруг сказал князь Андрей.
– О нет! – отвечал Пьер, испуганно соболезнующими глазами глядя на князя Андрея.
– Поезжай, поезжай: перед сраженьем нужно выспаться, – повторил князь Андрей. Он быстро подошел к Пьеру, обнял его и поцеловал. – Прощай, ступай, – прокричал он. – Увидимся ли, нет… – и он, поспешно повернувшись, ушел в сарай.
Было уже темно, и Пьер не мог разобрать того выражения, которое было на лице князя Андрея, было ли оно злобно или нежно.
Пьер постоял несколько времени молча, раздумывая, пойти ли за ним или ехать домой. «Нет, ему не нужно! – решил сам собой Пьер, – и я знаю, что это наше последнее свидание». Он тяжело вздохнул и поехал назад в Горки.
Князь Андрей, вернувшись в сарай, лег на ковер, но не мог спать.
Он закрыл глаза. Одни образы сменялись другими. На одном он долго, радостно остановился. Он живо вспомнил один вечер в Петербурге. Наташа с оживленным, взволнованным лицом рассказывала ему, как она в прошлое лето, ходя за грибами, заблудилась в большом лесу. Она несвязно описывала ему и глушь леса, и свои чувства, и разговоры с пчельником, которого она встретила, и, всякую минуту прерываясь в своем рассказе, говорила: «Нет, не могу, я не так рассказываю; нет, вы не понимаете», – несмотря на то, что князь Андрей успокоивал ее, говоря, что он понимает, и действительно понимал все, что она хотела сказать. Наташа была недовольна своими словами, – она чувствовала, что не выходило то страстно поэтическое ощущение, которое она испытала в этот день и которое она хотела выворотить наружу. «Это такая прелесть был этот старик, и темно так в лесу… и такие добрые у него… нет, я не умею рассказать», – говорила она, краснея и волнуясь. Князь Андрей улыбнулся теперь той же радостной улыбкой, которой он улыбался тогда, глядя ей в глаза. «Я понимал ее, – думал князь Андрей. – Не только понимал, но эту то душевную силу, эту искренность, эту открытость душевную, эту то душу ее, которую как будто связывало тело, эту то душу я и любил в ней… так сильно, так счастливо любил…» И вдруг он вспомнил о том, чем кончилась его любовь. «Ему ничего этого не нужно было. Он ничего этого не видел и не понимал. Он видел в ней хорошенькую и свеженькую девочку, с которой он не удостоил связать свою судьбу. А я? И до сих пор он жив и весел».
Князь Андрей, как будто кто нибудь обжег его, вскочил и стал опять ходить перед сараем.


25 го августа, накануне Бородинского сражения, префект дворца императора французов m r de Beausset и полковник Fabvier приехали, первый из Парижа, второй из Мадрида, к императору Наполеону в его стоянку у Валуева.
Переодевшись в придворный мундир, m r de Beausset приказал нести впереди себя привезенную им императору посылку и вошел в первое отделение палатки Наполеона, где, переговариваясь с окружавшими его адъютантами Наполеона, занялся раскупориванием ящика.
Fabvier, не входя в палатку, остановился, разговорясь с знакомыми генералами, у входа в нее.
Император Наполеон еще не выходил из своей спальни и оканчивал свой туалет. Он, пофыркивая и покряхтывая, поворачивался то толстой спиной, то обросшей жирной грудью под щетку, которою камердинер растирал его тело. Другой камердинер, придерживая пальцем склянку, брызгал одеколоном на выхоленное тело императора с таким выражением, которое говорило, что он один мог знать, сколько и куда надо брызнуть одеколону. Короткие волосы Наполеона были мокры и спутаны на лоб. Но лицо его, хоть опухшее и желтое, выражало физическое удовольствие: «Allez ferme, allez toujours…» [Ну еще, крепче…] – приговаривал он, пожимаясь и покряхтывая, растиравшему камердинеру. Адъютант, вошедший в спальню с тем, чтобы доложить императору о том, сколько было во вчерашнем деле взято пленных, передав то, что нужно было, стоял у двери, ожидая позволения уйти. Наполеон, сморщась, взглянул исподлобья на адъютанта.