Атом: от Демокрита до планетарной модели Резерфорда

Демокрит и неделимое

Около 2400 лет назад древнегреческий философ Демокрит рассуждал: если резать яблоко пополам, потом половину ещё пополам, когда-то придётся остановиться. Самые маленькие частицы, которые уже нельзя разделить, он назвал атомами, от греческого «атомос», неделимый.

По Демокриту, атомы бывают разной формы, вечно движутся в пустоте и, сцепляясь, образуют все вещества. Это была догадка, а не опыт. Аристотель с ней не согласился, и почти две тысячи лет его мнение было главным.

Дальтон: атомы можно взвесить

В начале XIX века английский учитель и учёный Джон Дальтон вернул атомы в науку, но уже на основе опытов. Химики заметили, что вещества соединяются в строгих пропорциях по массе. Например, в воде на 1 грамм водорода всегда приходится 8 граммов кислорода. Дальтон объяснил это так: каждый элемент состоит из одинаковых атомов со своей массой, а вещества это сочетания атомов в простых количествах.

Он составил первую таблицу относительных атомных масс. Через полвека на таких данных Дмитрий Менделеев построил периодическую таблицу. А вот правда ли ему приснилась таблица, разобрано в отдельной статье.

Томсон: внутри есть электроны

В 1897 году англичанин Джозеф Джон Томсон изучал лучи в трубках без воздуха и доказал, что они состоят из крошечных отрицательно заряженных частиц, в тысячи раз легче самого лёгкого атома. Так открыли электрон. Атом оказался не неделимым: из него можно что-то выбить.

Томсон предложил модель, которую называют «пудингом с изюмом»: атом это положительно заряженный шар, в котором вкраплены электроны, как изюм в тесте. В целом заряд нулевой.

Опыт с золотой фольгой

В 1909 году в Манчестере ученики Эрнеста Резерфорда, Ханс Гейгер и Эрнест Марсден, обстреливали тончайшую золотую фольгу альфа-частицами, быстрыми и тяжёлыми частицами из радиоактивного вещества. Если атом похож на рыхлый пудинг, частицы должны проходить сквозь него, лишь слегка отклоняясь.

Почти все частицы так и прошли. Но примерно одна из нескольких тысяч отскакивала назад. Резерфорд вспоминал, что это было так же невероятно, как если бы снаряд отскочил от папиросной бумаги.

В 1911 году Резерфорд объяснил: почти вся масса и весь положительный заряд атома собраны в крошечном ядре в центре. Вокруг ядра на огромных по сравнению с ним расстояниях движутся электроны. Атом почти пустой. Такую модель назвали планетарной: ядро как Солнце, электроны как планеты.

Если увеличить атом до размера футбольного стадиона, ядро будет размером с горошину в центре поля, а электроны будут где-то на трибунах.

Бор и нейтрон

У планетарной модели была беда: по законам физики электрон, кружащий вокруг ядра, должен излучать энергию и упасть на ядро за доли секунды. В 1913 году датчанин Нильс Бор предложил, что электроны могут двигаться только по определённым разрешённым орбитам и при этом не излучают. Свет испускается, когда электрон перескакивает с одной орбиты на другую. Это было начало квантовой физики.

В 1932 году англичанин Джеймс Чедвик открыл нейтрон, частицу без заряда в ядре. Картина, которую изучают в школе, сложилась: ядро из протонов и нейтронов и электроны вокруг. Сегодня физики знают, что электроны не летают по орбитам, как планеты, а находятся в «облаках» вероятности, но планетарная картинка до сих пор помогает понять главное.

Задача на строение атома

Частые вопросы