243
Глава 7. Атомы, молекулы, вещество
... Замечательным открытием Гельмгольца о законе вихревого движения в совершенной жидкости, т.е. жидкости, совершенно лишенной вязкости (или жидкого трения), неизбежно внушает мысль, что кольца Г ельмгольца- единственно истинные атомы.
В. Томсон Кельвин /1]
7.1. Краткая история становления атомной физики и квантовой механики
Попытки решения проблемы структуры мира и структуры вещества были предприняты в глубокой древности, но до нас сведения о них почти не дошли. И хотя традиционно первые попытки создания атомизма мы относим к древней Греции [2-5], на самом деле они были осуществлены за многие тысячелетия до этого.
Атомистические представления в древнем мире коррелировались с представлениями об эфире, но если эфиру приписывались лишь общие абстрактные свойства, то атомам приписывались уже некоторые конкретные характеристики, свойственные телам.
Эмпедокл из Агригента на Сицилии (490-430 гг. до н. э.) попытался объяснить окружающий мир на основе обобщенной теоретической системы. Очень важным было представление Эмпедокла о том, что из четырех тогда известных элементов - «земли» (твердь), «воды» (жидкость), «воздуха» (газ) и «огня» (энергия) образуются мельчайшие «осколки». Эти «осколки» можно соединять и таким образом получать различные вещества. Эмпедоклом выдвинуты идеи о «порах», «симметрии», «избирательном сродстве» - теоретические модели предполагаемого строения различных «осколков», отражающие их способность к соединению. Фактически Эмпедокл впервые ввел представления об энергии, растворенной повсеместно. Это представление было впоследствии использовано авторами идеи «теплорода» - особой жидкости, присутствие которой обеспечивает наличие температуры у тел. Древнегреческий философ Анаксогор (500-428 до н. э.) развил положения Эмпедокла и выдвинул учение о гомеомериях - «семенах вещей», которые он мыслил бесконечными по качеству и количеству. Каждый из элементов также состоит из бесконечного количества более мелких частиц.
Для развития естественнонаучных знаний была особенно важна конкретизация представлений о существовании необычайно малых частиц веществ. Это сделали Левкипп и Демокрит, сформулировав
244
понятие об атомах. Их учение подняло представление о строении материи на новую ступень развития.
Левкипп (ок. 500-440 до н. э.) и Демокрит (ок. 460-370 до н. э.) создали атомистическое учение, опираясь на взгляды своих предшественников. По их мнению, атомы могут иметь различную форму и величину. Это определяет возможность их разнообразных соединений. Порядок и расположение атомов в веществах, т. е. структуры веществ, могут существенно различаться. Блогодаря различным комбинациям разнообразных атомов образуется бесконечное множество веществ. В отличие от Анаксогора, Левкипп и Демокрит считали, что движение атомов присуще им изначально как способ их существования.
Атомы Демокрита - не разрезаемые (а не неделимые! - В.А.), существующие вечно материальные образования. Атомы различаются формой, порядком следования и положением в пустом пространстве, а также величиной, зависящей от их тяжести. Они имеют впадины и выпуклости. Из их «вихрей» путем естественного сближения образуется весь мир. Но сами атомы состоят из а'меров, истинно неделимых частиц. В.И.Ленин высоко ценил материализм Демокрита, обозначив его именем материалистическую традицию в истории философии («линия Демокрита»).
Важнейшими событиями в науке, от которых берет начало атомная физика, были открытие электрона и радиоактивности [6]. В 1987 г. английский физик Дж.Дж.Томсон измерил отношение заряда отрицательных частиц, содержащихся в катодных лучах, и на этой основе, а также на том факте, что металлы при сильном нагревании или освещении испускают электроны, сделал заключение, что электроны входят в состав любых атомов. Результаты исследования свойств электрона и радиоактивности позволили строить конкретные модели атома. В модели, предложенной Дж.Дж.Томсоном в 1903 г. [7-9], атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую вкраплены отрицательно заряженные электроны. Модель Томсона объясняла ряд явлений - испускание, поглощение и рассеяние света атомом, но оказалась не способной объяснить результаты опытов Э. Резерфорда по рассеянию альфа-частиц атомами [10].
Опыты Резерфорда показали, что при пропускании через тонкие слои вещества пучка альфа-частиц небольшая доля отклонялась на угол, превышающий 90°. В 1911 г. Резерфордом была предложена планетарная модель атома, которая существует в физике до настоящего времени [11]. В центре атома, согласно этой модели, находится очень небольшое положительно заряженное ядро диаметром 1СГ13 - 1СГ12 см,