Революция в естествознании и возникновение учения о строении атома

Гипотеза об атомах как последних неделимых частицах вещества была возрождена в естествознании для объяснения множества вновь открытых эмпирических законов в физике и химии. Такие законы, как закон Бойля - Мариотта и Гей - Люссака для идеальных газов, теплового расширения тел в физике, закон Дальтона и постоянства состава в химии и различные другие, лишь устанавливают необходимую связь между наблюдаемыми свойствами тел, но не объясняют, почему такая связь существует. В самом деле, закон Бойля - Мариотта утверждает, что объем газа обратно пропорционален его давлению, но не раскрывает причину такой зависимости. Аналогично этому, при нагревании тела его размеры увеличиваются, но эмпирический закон теплового расширения тел не объясняет, почему происходит такое расширение.

Очевидно, что для подобного объяснения необходимо выйти за рамки наблюдаемых зависимостей, которые выражаются в эмпирических законах, и обратиться к теоретическим законам. В отличие от эмпирических законов теоретические законы содержат понятия и величины, относящиеся к ненаблюдаемым объектам. Именно такими объектами являются атомы, а также образованные из них молекулы. С помощью атомов и молекул в молекулярно-кинетической теории вещества убедительно объясняются все вышеперечисленные и другие известные эмпирические законы. Действительно, чтобы ответить на вопрос: почему объем газа увеличивается вдвое, когда его давление уменьшается во столько же раз, мы представляем себе газ, состоящий из огромного числа атомов или молекул, движущихся беспорядочно в разных направлениях и с разной скоростью. Непосредственно наблюдаемое и измеряемое уменьшение давление газа мы истолковываем как увеличение свободного пробега составляющих его атомов или молекул, вследствие чего возрастает объем, занимаемый газом. Аналогично этому расширение тел при нагревании объясняют увеличением средней скорости движущихся молекул.

Таким образом, свойства наблюдаемых нами тел и законов их поведения мы объясняем с помощью простых свойств невидимых атомов и молекул. При этом свойства более сложных образований, какими являются молекулы, объясняются также с помощью атомов, так что атомы оказываются последними, далее неразложимыми частицами вещества, или химических элементов. Поэтому атом в химии обычно рассматривают как наименьшую часть вещества или, точнее определяют как химический элемент.

Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пытаются свести к свойствам более простых их элементов или составных частей, способствовали значительному прогрессу в развитии естествознания. С его помощью удалось объяснить не только свойства многочисленных тел и явлений, но и эмпирических законов, которые описывают их поведение.

Однако попытка сведения всех многообразных и сложных свойств и закономерностей тел и явлений окружающего мира к более простым свойствам вряд ли могла оказаться успешной. Ведь на каждом уровне познания раскрывались новые границы и находились новые неделимые частицы материи. Вплоть до конца прошлого века такой частицей считался атом, но крупнейшие открытия в физике в конце XIX начале XX вв., привели к отказу от такой точки зрения. Среди этих открытий следует отметить, прежде всего, обнаружение явлений естественной радиоактивности таких химических элементов, как радий и уран. Оказалось, что эти элементы в естественных условиях испускают особые радиоактивные лучи и в результате превращаются в другие химические элементы, а в конечном итоге - в свинец. Именно так истолковали радиоактивные превращения английские физики Эрнест Резерфорд (1871 - 1937) и Фредерик Содди (1877 - 1956). Отсюда непосредственно следовало, что атомы вовсе не являются неизменными и неделимыми кирпичиками мироздания. Поэтому после этих открытий были предприняты многочисленные попытки, понять и объяснить строение и структуру атома.

В 1913 году Э. Резерфорд, исследуя действие на атомы, альфа частиц, испускаемых радиоактивных элементами, показал, что основная часть массы атома сосредоточена в его центральной части - ядре, так как вдали от него альфа частицы проходят беспрепятственно. Напротив, очень небольшое число частиц резко меняет свое направление, когда проходит вблизи центральной его части. Это побудило Резерфорда предположить, что положительно заряженные альфа частицы отталкиваются от ядра, несущего, по-видимому, также положительный заряд.

Основываясь на этих экспериментах, он предложил планетарную модель атома, согласно которой вокруг массивного положительно заряженного ядра по своим орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Сами электроны были открыты в 1897 г. английским физиком Д. Томсоном, который предложил первую модель строения атома. Согласно этой модели, атом представлялся в виде сгустка материи, в который вкраплены, подобно изюму в пудинг, электроны. В целом же атом рассматривался как электрически нейтральный объект. Но такая модель была совершенно не в состоянии объяснить результаты экспериментов Резерфорда, и поэтому он выдвинул свою планетарную модель, в которой электроны играют роль планет, вращающихся вокруг ядра, как центрального тела системы.

Впоследствии эта модель была значительно модифицирована известным датским физиком Н. Бором (1885 -1962) и другими учеными. Оказалось, что модель Резерфорда противоречит принципам электромагнитной теории, согласно которым электроны, вращаясь вокруг ядра, должны излучать энергию и, в конце концов, упасть на него и разрушить атом. Ничего подобного в действительности не наблюдается, поскольку требуются огромные усилия, чтобы разрушить атом.

Чтобы разрешить возникшее противоречие, Н. Бор впервые заявил, что принципы электромагнитной теории неприменимы для исследования микромира и предложил внести изменения в планетарную модель атома. Эти изменения он сформулировал в виде двух постулатов, которые впоследствии стали называть постулатами Бора.

Первый постулат устанавливает, что в атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии. Им соответствуют стационарные орбиты, двигаясь по которым электроны не излучают электромагнитные волны.

Второй постулат утверждает, что при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую, атом испускает энергию, равную одному фотону. E_n–E_m= hv, где E_n и E_m обозначают значения энергий соответствующих стационарных орбит, а hv – энергию фотона.

Эти теоретические предположения Н. Бора, были экспериментально подтверждены опытами Г.Герца и Д.Франка. Поэтому видоизмененная модель строения атома, названная моделью Резерфорда - Бора, получила общее признание в науке. Однако эта модель все еще сохраняла связь со старыми, классическими представлениями. Поэтому необходимо было создать совершенно новую, неклассическую теорию, которая могла бы с принципиально иных позиций объяснить все накопившиеся экспериментальные результаты.

Такой новой фундаментальной теорией и стала квантовая механика, которая ввела совершенно неизвестные для классической физики принципы дуализма волны и частицы, неопределенности (неточности) и дополнительности, а вместо универсальных законов прежней физики стала широко применять статистические законы и вероятностные методы исследования.