66
Глава 3.
исследовании прохождения электрического тока через сильно разреженные газы были открыты лучи, испускаемые катодом разрядной трубки (катодные лучи) и обладающие свойством отклоняться в поперечных электрическом и магнитном полях. Выяснилось, что эти лучи состоят из быстро летящих отрицательно заряженных частиц, названных электронами. В 1897 г. английский физик Дж.Дж.Томсон измерил отношение заряда этих частиц е к их массе т. Было также обнаружено, что металлы при сильном нагревании или освещении светом короткой длины волны испускают электроны (термоэлектронная и фотоэлектронная эмиссии). Из этого было сделано заключение, что электроны входят в состав любых атомов. Отсюда следовало, что нейтральные атомы должны также содержать положительно заряженные частицы. Положительно заряженные частицы - ионы были действительно обнаружены при исследовании электрических зарядов в разреженных газах.
Представление об атоме как о системе заряженных частиц объясняло, согласно теории голландского физика Лоренца, саму возможность излучения атомом света (электромагнитных волн): электромагнитное излучение возникает при колебаниях внутриатомных зарядов, что получило подтверждение при исследовании действия магнитного поля на атомные спектры (явление Зеемана). Выяснилось, что отношение заряда внутриатомных электронов к их массе е/т для свободных электронов, полученных в опытах Томсона, в точности равно значению, которое было найдено Лоренцем в его теории явления Зеемана. Теория электронов и ее экспериментальное подтверждение дали бесспорное доказательство сложности атома.
Представление о неделимости и не превращаемости атома было окончательно опровергнуто работами французских ученых М.Склодовской-Кюри и П.Кюри, а также работами английского радиохимика Содди.
Результаты исследования свойств электрона и радиоактивности позволили строить конкретные модели атома. В модели, предложенной Дж.Дж.Томсоном в 1903 г. атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую вкраплены незначительные по размеру по сравнению с атомом отрицательно заряженные электроны. Они удерживаются в атоме благодаря тому, что силы притяжения их распределенным положительным зарядом уравновешиваются силами их взаимного отталкивания. Томсоновская модель давала известное
Чем отличается квантовая механика от классической/
67
объяснение возможности испускания, поглощения и рассеяния света атомом. Однако модель Томсона оказалась неудовлетворительной, так как на ее основе не удалось объяснить совершенно неожиданный результат опытов английского ученого Резерфорда и его сотрудников Гейгера и Марсдена по рассеянию альфа-частиц атомами: при прохождении пучка альфа-частиц через тонкий слой вещества происходило небольшое размытие пучка. Однако очень малая доля альфа-частиц отклонялась на углы, превышающие 90°. Этот результат можно было объяснить только тем, что в атоме содержится положительно заряженное ядро, размер которого мал по сравнению с размером самого атома. Поэтому томсоновская модель не годилась.
В 1911 г. Резерфорд предложил принципиально новую модель атома, напоминавшую по строению солнечную систему и получившую название планетарной. Согласно этой модели в центре каждого атома имеется положительно заряженное ядро малого размера, вокруг которого на различных орбитах движутся отрицательно заряженные электроны. Положительный заряд ядра в точности равен сумме зарядов электронов, поэтому атом в целом нейтрален. Для проверки планетарной модели Резерфорд и его ученик Дарвин подсчитали угловое распределение частиц, рассеянных точечным ядром - центром кулоновских сил. Полученный результат был проверен опытным путем
- измерением числа альфа-частиц, рассеянных под разными углами. Результаты опыта в точности совпали с теоретическими расчетами, блестяще подтвердив тем самым планетарную модель Резерфорда [4] (на самом деле был подтвержден лишь факт малого размера ядра, но никак не строения самого атома - В А.).
Однако планетарная модель атома натолкнулась на принципиальные трудности. Согласно классической электродинамике заряженная частица, движущаяся с ускорением, должна непрерывно излучать электромагнитную энергию. Но при этом они за ничтожную долю секунды потеряли бы всю свою кинетическую энергию и упали на ядро. Другая трудность, связанная также с излучением, состояла в том, что частота излучаемого света электроном должна быть равна частоте обращения электрона вокруг ядра, что противоречило опытным данным. Таким образом, в рамках модели атома Резерфорда не могли быть объяснены устойчивость атома по отношению к излучению и линейчатые спектры его излучения.
