Откритията в областта на атомната структура се превърнаха във важна стъпка в развитието на физиката. Моделът на Ръдърфорд беше от голямо значение. Атомът като система и частиците, които я изграждат, са изследвани по-точно и по-подробно. Това доведе до успешното развитие на такава наука като ядрена физика.
Древни идеи за структурата на материята
Предположението, че околните тела са съставени от най-малките частици, е направено в древни времена. Мислите от онова време представят атома като най-малката и неделима частица от всяко вещество. Те твърдят, че във Вселената няма нищо по-малко от атом. Такива възгледи са били от големите древногръцки учени и философи - Демокрит, Лукреций, Епикур. Хипотезите на тези мислители днес са обединени под името "античен атомизъм".
Средновековни представления
Времената на античността са отминали, а през Средновековието е имало и учени, които са правили различни предположения за структурата на веществата. Въпреки това, преобладаването на религиозните философски възгледи и силата на църквата в този период от историята са в основатапотискал всякакви опити и стремежи на човешкия ум към материалистични научни заключения и открития. Както знаете, средновековната инквизиция се държеше много неприветливо с представители на научния свят от онова време. Остава да се каже, че тогавашните светли умове са имали идея, която идва от древността за неделимостта на атома.
Изследвания от 18-19 век
18-ти век е белязан от сериозни открития в областта на елементарната структура на материята. До голяма степен благодарение на усилията на учени като Антоан Лавоазие, Михаил Ломоносов и Джон Далтън. Независимо един от друг, те успяха да докажат, че атомите наистина съществуват. Но въпросът за тяхната вътрешна структура остава отворен. Краят на 18 век е белязан от такова значимо събитие в научния свят като откриването на периодичната система от химични елементи от Д. И. Менделеев. Това беше наистина мощен пробив от онова време и повдигна завесата над разбирането, че всички атоми имат една природа, че са свързани един с друг. По-късно, през 19 век, друга важна стъпка към разкриването на структурата на атома е доказателството, че всеки от тях съдържа електрон. Работата на учените от този период подготви плодородна почва за откритията на 20-ти век.
Експериментите на Thomson
Английският физик Джон Томсън доказа през 1897 г., че атомите съдържат електрони с отрицателен заряд. На този етап фалшивите идеи, че атомът е границата на делимост на всяка субстанция, бяха окончателно унищожени. КакТомсън успя да докаже съществуването на електрони? В своите експерименти ученият поставя електроди в силно разредени газове и пропуска електрически ток. Резултатът беше катодни лъчи. Томсън внимателно проучи техните характеристики и установи, че те са поток от заредени частици, които се движат с голяма скорост. Ученият успя да изчисли масата на тези частици и техния заряд. Той също така установи, че те не могат да бъдат превърнати в неутрални частици, тъй като електрическият заряд е в основата на тяхната природа. Така са открити електроните. Томсън е създател и на първия в света модел на структурата на атома. Според него атомът е куп положително заредена материя, в която отрицателно заредените електрони са разпределени равномерно. Тази структура обяснява общата неутралност на атомите, тъй като противоположните заряди се балансират взаимно. Експериментите на Джон Томсън станаха безценни за по-нататъшното изследване на структурата на атома. Въпреки това много въпроси останаха без отговор.
Rutherford Research
Томсън открива съществуването на електрони, но не успява да намери положително заредени частици в атома. Ърнест Ръдърфорд коригира това недоразумение през 1911 г. По време на експерименти, изучавайки активността на алфа частиците в газовете, той открива, че в атома има положително заредени частици. Ръдърфорд вижда, че когато лъчите преминават през газ или през тънка метална плоча, малък брой частици рязко се отклоняват от траекторията на движение. Те бяха буквално хвърлени обратно. Ученият предположи товатова поведение се обяснява със сблъсъка с положително заредени частици. Такива експерименти позволиха на физика да създаде модела на Ръдърфорд за структурата на атома.
Планетарен модел
Сега идеите на учения бяха малко по-различни от предположенията, направени от Джон Томсън. Техните модели на атоми също станаха различни. Опитът на Ръдърфорд му позволява да създаде напълно нова теория в тази област. Откритията на учения бяха от решаващо значение за по-нататъшното развитие на физиката. Моделът на Ръдърфорд описва атом като ядро, разположено в центъра, и електрони, движещи се около него. Ядрото има положителен заряд, а електроните имат отрицателен заряд. Моделът на атома на Ръдърфорд предполагаше въртенето на електроните около ядрото по определени траектории - орбити. Откритието на учения помогна да се обясни причината за отклонението на алфа-частиците и стана тласък за развитието на ядрената теория на атома. В модела на Ръдърфорд за атома има аналогия с движението на планетите от Слънчевата система около слънцето. Това е много точно и ярко сравнение. Следователно моделът на Ръдърфорд, при който атомът се движи около ядрото по орбита, се нарича планетарен.
Произведения на Нилс Бор
Две години по-късно датският физик Нилс Бор се опита да комбинира идеите за структурата на атома с квантовите свойства на светлинния поток. Ядреният модел на Ръдърфорд на атома е поставен от учения като основа на новата му теория. Според Бор атомите се въртят около ядрото по кръгови орбити. Такава траектория на движение води до ускорениеелектрони. В допълнение, кулоновото взаимодействие на тези частици с центъра на атома е придружено от създаване и потребление на енергия за поддържане на пространственото електромагнитно поле, произтичащо от движението на електроните. При такива условия отрицателно заредените частици трябва някой ден да попаднат върху ядрото. Но това не се случва, което показва по-голямата стабилност на атомите като системи. Нилс Бор разбра, че законите на класическата термодинамика, описани от уравненията на Максуел, не работят във вътрешноатомни условия. Затова ученият си постави задачата да изведе нови модели, които биха били валидни в света на елементарните частици.
постулатите на Бор
До голяма степен поради факта, че моделът на Ръдърфорд съществува, атомът и неговите компоненти са добре проучени, Нилс Бор успява да се доближи до създаването на своите постулати. Първият от тях казва, че атомът има стационарни състояния, в които той не променя енергията си, докато електроните се движат по орбити, без да променят траекторията си. Според втория постулат, когато електронът се движи от една орбита в друга, енергията се освобождава или абсорбира. Тя е равна на разликата между енергиите на предишното и следващите състояния на атома. В този случай, ако електронът скочи на орбита по-близо до ядрото, тогава се излъчва енергия (фотон) и обратно. Въпреки факта, че движението на електроните не прилича малко на орбитална траектория, разположена строго в кръг, откритието на Бор предостави отлично обяснение за съществуването на управляванспектър на водородния атом. Приблизително по същото време физиците Херц и Франк, които живееха в Германия, потвърдиха учението на Нилс Бор за съществуването на стационарни, стабилни състояния на атома и възможността за промяна на стойностите на атомната енергия.
Сътрудничество на двама учени
Между другото, Ръдърфорд не можеше да определи заряда на ядрото дълго време. Учените Марсдън и Гайгер се опитаха да проверят отново твърденията на Ърнест Ръдърфорд и в резултат на подробни и внимателни експерименти и изчисления стигнаха до заключението, че именно ядрото е най-важната характеристика на атома и целия му заряд е концентриран в него. По-късно беше доказано, че стойността на заряда на ядрото е числено равна на поредния номер на елемента в периодичната система от елементи на Д. И. Менделеев. Интересното е, че Нилс Бор скоро се срещна с Ръдърфорд и напълно се съгласи с неговите възгледи. Впоследствие учените работиха заедно дълго време в една и съща лаборатория. Моделът на Ръдърфорд, атомът като система, състояща се от елементарни заредени частици – всичко това Нилс Бор смята за справедливо и завинаги остави настрана своя електронен модел. Съвместната научна дейност на учените беше много успешна и даде плод. Всеки от тях се задълбочава в изучаването на свойствата на елементарните частици и прави значими открития за науката. По-късно Ръдърфорд открива и доказва възможността за ядрено разлагане, но това е тема за друга статия.
