Рассказ из жизни атома по физике

Представление об атоме, состоящем из мельчайшего ядра и электронных облаков, возникло в физике не сразу. На рубеже XIX-XX вв. приоритетной казалась модель атома, предложенная в 1897 г. английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. Томсон считал, что атом состоит из положительно заряженного вещества, внутрь которого вкраплены электроны, как "пудинг с изюмом".

И только после изучения рассеяния α-частиц веществом Резерфорд в 1911 г. предложил планетарную модель атома, состоящего из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Однако он хорошо понимал уязвимость этой модели и говорил, что знает, как выглядит атом, но не знает, как он устроен. Проблема заключалась в том, что "классические" электроны должны при вращении излучать энергию и падать на ядро. В классической физике существование стабильных "планетарных" атомов невозможно. Но ведь мы-то существуем, а мы состоим из атомов.

Для регистрации рассеянных α-частиц Резерфорд использовал сцинтилляционные счетчики, созданные им в 1908 г. совместно с Гейгером. А чтобы интерпретация опытов была объективной, как рассказывал П. Л. Капица, счет сцинтилляций, обработку результатов и построение графиков выполняли люди, которые не знали, что должно получиться. Таким образом, исключалась подтасовка результатов. Лаборатория Резерфорда славилась тем, что там не было сделано ни одного ошибочного открытия!

Нужны были новые идеи, чтобы разрешить этот парадокс. И первый шаг сделал датский физик Нильс Бор в 1913 г. Он предположил, что состояния электрона в атоме "квантуются", т. е. электрон в атоме может находиться только на определенных орбитах, для которых выполняется условие

mvr = nћ,

где m - масса, v - скорость, r - радиус орбиты электрона, ћ = 1,05 • 10-34 Дж•с - постоянная Планка, n - целое положительное число.

И хотя впоследствии выяснилось, что это условие неточно, теория Бора "зафиксировала" стабильность атома и объяснила дискретность атомных спектров. Интересно, что в этой теории в результате наложения "ошибки на ошибку" были получены правильные значения энергий электрона в атоме водорода. Последовательное же описание атомов и ионов оказалось возможным только после создания квантовой механики.

Квантовая механика объясняет устойчивость атомов, позволяет для простых атомов достаточно точно вычислить уровни энергии, с помощью приближенных методов рассчитать характеристики сложных атомов, обосновывает периодическую таблицу элементов, описывает электрические и магнитные свойства атомов.