Атомна теорія

Атомна теорія — фізична теорія, яка припускає, що все на світі складається з найдрібніших частинок — атомів, сполучених між собою ядерними та електромагнітними силами. У XX столітті на практиці було доведено, що атом можна розділити на ще більш дрібні — субатомні — частинки.

Історія

Атомізм

У давньогрецькій філософії, а пізніше і в середні віки, люди припускали, що речі навколо них складаються з двох частин: неподільні атоми, якимось чином зчеплені один з одним, і з порожнечі між атомами. Атоми вважали вічними та незруйновними корпускулами. Цю позицію відстоювали у своїх працях такі філософи, як Демокріт або Левкіпп, але жодних доказів ця теорія тоді не мала.

Перша теорія будови атома

Наприкінці XVIII століття було відкрито хімічні закони збереження:

• Закон збереження маси, який відкрив 1789 року Антуан Лоран Лавуазьє, свідчить, що маса реактивів під час хімічної реакції не змінюється;
• Закон сталості складу, відкритий 1799 Жозефом Луї Прустом, свідчить, що будь-яка певна хімічна сполука, незалежно від способу її отримання, складається з одних і тих самих хімічних елементів;
• Закон кратних відношень, який відкрив 1803 року Джон Дальтон, стверджує, що відношення маси одного елемента до іншого буде цілим числом.

Модель атома Томсона

Ці закони не могли б виконуватися з такою точністю, якби матерія була дискретною структурою. Але в той час була не зовсім зрозумілою структура того, що ми тепер називаємо «молекулою». 1811 Амедео Авогадро провів серію дослідів з газом та з'ясував, що два літри гідрогену реагують лише з одним літром оксигену при отриманні водяної пари. А після відкриття 1827 року броунівського руху, стало очевидно, що матерія складається з окремих частинок — атомів, здатних утворювати групи — молекули, тобто була створена атомна теорія будови речовини.

Відкриття субатомних частинок

Планетарна модель атома.

До 1897 року атоми вважали неподільними. 1897 року Джозеф Джон Томсон провів досвід з круксовою трубкою, в якому вперше спостерігався електрон. На катод подавали деяку напругу і, як згодом виявилося, в таких умовах катод випромінює пучки електронів. Томсон з'ясував, що ці пучки відхиляються при впливі на них електромагнітного поля. Сам Томсон називав ці частинки корпускулами, але пізніше вони отримали окрему назву — електрони.

Відкриття ядра атома

Модель атома Бора.

Модель атома Томсона спростував 1909 учень Томсона — Ернест Резерфорд. Він виявив, що атом не є однорідним за своєю структурою: в центрі розташоване масивне позитивно заряджене щільне ядро, а навколо нього, як планети навколо Сонця, рухаються електрони.

Виявилося, що якщо обстрілювати альфа-частками тонкий лист золота, то альфа-частинки будуть відхилятися на різні кути, причому частина з них — на кут більший ніж ${\cfrac {\pi }{2}}\,$ а це можливо лише якщо масивна позитивно заряджена альфа-частинка зустрічає на своєму шляху достатньо масивну позитивно заряджену перешкоду.

Створення квантової теорії атома

Планетарна модель мала низку недоліків, з яких найістотніший був пов'язаний з теоретично правильною втратою енергії електрона: оскільки електрон обертається навколо атома, то на нього діє доцентрове прискорення, а за формулою Лармора будь-яка заряджена частинка, що рухається з прискоренням, випромінює. Тобто втрачає енергію. А якщо електрон втрачає енергію, то зрештою він повинен впасти на ядро, чого в реальності не відбувається.

1913 року Нільс Бор припустив, що електрон може обертатися не як завгодно, а по суворо визначених орбітах, не змінюючи своєї енергії як завгодно довгий час. Перехід з орбіти на орбіту вимагає певної енергії — кванта енергії.

Відкриття ізотопів

1907 року радіохімік Фредерік Содді виявив, що існують сполуки з однаковими хімічними властивостями, які відрізняються за кількістю нейтронів.

Відкриття подільності ядра

1930 року було виявлено, що якщо високоенергетичні альфа-частинки потрапляють на деякі легкі елементи, то останні випромінюють промені з надзвичайно великою проникною здатністю. Це випромінювання мало набагато більшу проникну здатність, ніж всі інші промені. 1932 Ірен та Фредерік Жоліо-Кюрі показали, що якщо це невідоме випромінювання потрапляє на парафін, то утворюються протони високих енергій, і ці енергії не збігаються з теоретичними розрахунками. Фізик Джеймс Чедвік припустив, що це випромінювання складається з незаряджених частинок з масою, близькою до маси протона, і провів серію експериментів, які підтвердили цю гіпотезу. Ці незаряджені частинки отримали назву нейтрони.

Відкриття атомних орбіталей

Різні атомні орбіталі.

1924 року Луї де Бройль припустив, що всі частинки пов'язані з хвилею, названою згодом хвилею де Бройля з частотою $\nu ={\cfrac {E}{h}}$ і з довжиною хвилі $\lambda ={\cfrac {h}{p}}.$

1926 року Ервін Шредінгер записав своє знамените рівняння Шредінгера, яке описує субатомні частинки як хвилі. Трохи пізніше Макс Борн припустив, що корпускулярно-хвильовий дуалізм дійсний не лише для фотонів, але в принципі й для всіх частинок. Було введене поняття орбіталі — місце найбільш ймовірного знаходження електрона цього атома. Теоретично електрон можна дуже рідко виявити на якийсь конкретній відстані від ядра, але найчастіше він розташований десь поруч з ним, якраз «на орбіталі».

Теорія будови атома в культурі

Атом як символ науки.

• Достатньо відомий вислів Р. Фейнмана:

	Якби внаслідок якоїсь світової катастрофи всі накопичені наукові знання виявилися б знищеними, і до прийдешніх поколінь живих істот перейшла б лише одна фраза, то, яке твердження, складене з найменшого числа слів, принесло б найбільшу інформацію? Я вважаю, що це-атомна гіпотеза: всі тіла складаються з атомів — маленьких тілець, які перебувають у безперервному русі, притягуються на невеликих відстанях, але відштовхуються, якщо одне з них щільніше притиснути до іншого. В одній цій фразі міститься неймовірна кількість інформації про світ, варто лише прикласти до неї трохи уяви і трохи міркування.
— Р. Фейнман.

• Модель атома в спрощеному вигляді є одним з відомих символів науки.