Enrique Alvarez - Масса атомов. Дальтон. Атомная теория

• Название: Масса атомов. Дальтон. Атомная теория
• Автор: Enrique Alvarez
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Физика
• Год: 2014

Джон Дальтон является основоположником атомной теории и одним из создателей современной химии. Преподаватель скромной начальной школы Манчестера обратился к идеям, сформулированным за тысячу лет до него Демокритом и другими греческими философами, и предположил, что весь мир состоит из неделимых атомов и в результате их взаимодействия появляются элементы, которые, в свою очередь, образуют химические соединения. Несмотря на то что существование атомов вызывало серьезные споры вплоть до начала XX века — то есть и через 100 лет после публикации труда Дальтона, — именно работа этого просветителя, не получившего университетского образования, легла в основу концептуальной революции, изменившей лицо науки.

---

У этой тайны было два возможных объяснения. Первое заключалось в том, что это излучение было простым электромагнитным излучением, а второе, предложенное англичанином Уильямом Круксом (1832-1919), состояло в том, что излучение связано с потоком невидимых частиц. Крукс поднес к сосуду магнит, и... катодные лучи отклонились в сторону. Для окончательной разгадки тайны катодных лучей надо было дождаться 1897 года, когда уже упоминавшийся Джозеф Джон Томсон доказал, что лучи отклоняются не только в магнитном, но и в электрическом поле. В то время из заряженных частиц были известны только ионизированные газы Резерфорда. Но если катодные лучи были ионами, они должны были быть очень легкими, примерно в тысячу раз легче атома водорода, или должны были обладать значительным зарядом. Первое объяснение соответствовало другим опытам с электричеством: электрический ток — это движение крошечных частиц, электронов. Томсон показал также, что отрицательно заряженные частицы, испускаемые металлическими пластинами при высоком облучении (знаменитый фотоэлектрический эффект, который будет объяснен в знаменательном для Эйнштейна 1905 году), идентичны катодным лучам.

ЭЛЕКТРОН

Электрон был первой открытой частицей атома, это произошло во время опытов с использованием трубок с катодными лучами. Трубки запаивались, а затем между двумя электродами внутри них пропускали ток высокого напряжения. Джозеф Джон Томсон в 1897 году установил, что от электрического заряда на стенках сосуда за катодом образуются вспышки. Он предположил, что дело в испускаемых катодом лучах (откуда и название — катодные). Однако он увидел, что в отличие от обычного электромагнитного излучения лучи распространялись по прямой линии, даже если отклонялись от магнитного или электрического поля. То есть лучи имеют электрический заряд, массу и универсальные частицы, поведение которых не меняется даже при изменении газа или типа электрода. Томсон рассчитал, что масса этих новых "частиц" равна 1/1000 массы атома водорода, и сделал вывод, что они скорее всего являются частью этого атома. Чтобы объяснить нейтральный заряд атома, он предположил, что частицы — позднее названные электронами по предложению Джорджа Стони в 1894 году — плавают в непрерывной положительно заряженной среде атома. Это была первая модель, в которой неделимый атом Джона Дальтона делился.

Опыт Томсона с катодной трубкой.

Это поведение электронов привело к выводу, что они на самом деле являются частью атома, что масса электрона составляет 1/1837 массы атома водорода и что раз электроны не могут с легкостью отсоединяться от атомов — под воздействием электрического поля или других значительных энергий, — то логично предположить, что они находятся снаружи атома. Все сходилось. Если атом нейтрален, но на его периферии находится отрицательный заряд, то для равновесия внутри должен находиться положительный. Это также объясняло некоторые загадки периодической таблицы, особенно классификацию элементов по свойствам и способности образовывать соединения с другими элементами. Электрический заряд объяснял и тот факт, что атомы обязаны своим атомным числом количеству электронов в основном состоянии. Все эти открытия были отмечены нобелевскими премиями. Чтобы не утомлять читателя, скажем только, что в 1906 году Нобелевскую премию по физике получил Томсон за открытие электрона, а в 1921-м ее получил Эйнштейн за обоснование фотоэлектрического эффекта (а вовсе не за теорию относительности, как многие думают).

Открытие электрона и определение его как составляющей частицы атома к 1900 году стало еще одним ударом, который перенесла теория Дальтона. Речь уже не просто шла о способности некоторых тяжелых атомов излучать радиоактивность и превращаться в более легкие элементы. Все без исключения атомы образованы из более мелких частиц. То есть атомы делимы. Но атомные идеи Дальтона, разработанные 100 лет назад, оставались справедливыми для огромного количества химических реакций.

Первая атомная модель была предложена Томсоном. Он представлял атом в виде пудинга (или булочки с изюмом): основа состоит из большого положительного заряда, а сверху разбросаны отрицательно заряженные электроны (см. рисунок).

В этой модели на периферии положительно заряженного атома равномерно распределены электроны, в результате чего заряды уравновешиваются.

Модель Томсона (1904): отрицательно заряженные электроны равномерно распределены в положительно заряженной оболочке атома. Результирующий заряд — нейтральный.

ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ЧАСТИЦА

Упрощенная модель повлекла за собой несколько проблем. Первая заключалась в том, что эта модель не объясняла радиоактивности. Резерфорд показал, что тяжелые элементы Беккереля и супругов Кюри излучают три вида радиоактивных лучей. Для простоты он назвал их альфа, бета и гамма. Резерфорд также показал, что электроны — это бета-частицы. До сих пор все было понятно, но таинственные альфа-частицы тоже взаимодействовали электрически, хотя и противоположным образом по сравнению с бета-частицами. Соответственно, их заряд должен быть положительным. Кроме того, они значительно меньше отклонялись, а значит, должны быть гораздо более тяжелыми, нежели электроны. Резерфорд рассчитал, что масса альфа-частиц в четыре раза больше массы атома водорода.

Чтобы покончить с путаницей, в 1908 году Резерфорд отделил альфа-частицы, поместив радиоактивный материал в стеклянную трубку, в которой находилась другая, более тонкая трубка. Первый барьер преодолевали только альфа-частицы. Отделив их, он выяснил их электрический заряд. Так появились спектральные линии гелия. Резерфорд знал, что один из загадочных видов радиоактивности образован положительными частицами гелия (второго элемента периодической таблицы), испускаемыми из его атомного ядра.

В том же 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии, однако остался неудовлетворен — не самой премией, а областью, в которой она была вручена. Самый важный свой опыт ученый провел между 1910 и 1911 годами. Вместе со своим немецким ассистентом Гансом Гейгером, более известным как изобретатель счетчика радиоактивных частиц, он пропустил ионизированные атомы гелия — альфа-частицы — через лист золотой фольги. К огромному удивлению исследователей — и к удивлению всего человечества, — некоторые частицы отскакивали обратно: можно сказать, что ученые обстреливали тонкий лист бумаги, но сквозь него проходили далеко не все пули. Вывод: атом практически пуст, но в центре него содержится очень плотное ядро.

Историки приписывают Резерфорду также открытие в 1918 году протона ("первый") — позитивно заряженной субатомной частицы. Хотя, наверное, следовало бы присвоить славу ее открытия (хотя бы частично) немецкому физику Ойгену Гольдштейну (1850-1930). В 1886 году Гольдштейн осуществил похожий на эксперимент Томсона опыт с перфорированным катодом и выделил частицу, масса которой была сходна с массой атома водорода, но позитивно заряженную. Он принял эту частицу за простой ион.

Резерфорд повторил опыт, бомбардируя атомы азота альфа-частицами, и обнаружил сверкание, которое мог производить только азот. Эта реакция стала первым превращением, осуществленным искусственно, в отличие от естественной радиации. Мы можем представить ее сегодня как физическую реакцию со следующей формулой:

4He + 14N → 17O + 1Н,

в которой величины соответствуют атомной массе. Слева направо ядро гелия (2 протона и 2 нейтрона) взаимодействует с ядром водорода (7 протонов и 7 нейтронов), и образуются ядро кислорода-17 (изотоп с 8 протонами, но 9 нейтронами) и ядро водорода (1 протон). Наверное, это была первая алхимическая реакция в истории.

ЧАСТИЦА БЕЗ ЗАРЯДА

Модель атома Резерфорда (см. рисунок на странице 134) с электронами на периферии и протонами, содержащимися в плотном ядре, превратилась для физиков в неразрешимую проблему.

ПРОТОН

Протон был выделен в 1920 году Эрнестом Резерфордом во время изучения ядер гелия, раньше называвшихся альфа-частицами и излучаемых при естественной радиоактивности. На самом деле Резерфорд выделил ядро водорода, самый распространенный в природе изотоп которого состоит из одного протона. Во время этого опыта Резерфорд осуществил первую в истории атомную реакцию, превратив атомы азота в кислород. В продукте реакции Резерфорд выделил ядро водорода и предположил, как и задолго до него английский химик Уильям Прут (1785-1850), что водород может быть основным элементом, или частицей, образующей другие атомы. Даже если на самом деле это не совсем так, факт заключается в том, что Резерфорд предложил называть его протоном по двум причинам: во-первых, он заимствовал греческое слово, означающее "первый", во-вторых, это название напоминало о фамилии Прута.