ЧАСТЬ ПЯТАЯ. АТОМНАЯ ФИЗИКА

ГЛАВА VIII. СТРОЕНИЕ АТОМА И ТЕОРИЯ БОРА

§ 54. Исторические сведения

В 70-х годах прошлого столетия Максвелл в статье для энциклопедии писал: «Атом есть тело, которое нельзя рассечь пополам», и далее подчеркивал, что по господствующему мнению, которое он вполне разделяет, ни при каких процессах, вплоть до космических катастроф, не происходит разрушения атомов и изменения их числа. Всегда считалось очевидным, что протяженность бесконечно делима, но в отношении атома предполагалось, что атомы являются или точечными центрами сил (такое учение об атомах было развито Лейбницем, Кантом и наиболее подробно Босковичем), или же атомы являются ничтожно малыми абсолютно упругими тельцами, существующими вечно в неизменном виде, как «кирпичи мироздания», которые бесполезно представлять себе расчленяемыми на части, так как они по природе своей ни в каких реально возможных явлениях не разрушаются и не создаются (такое понимание атомов сложилось в результате развития учения Демокрита, Гассенди, Лесажа).

Таким образом, почти до начала XX в. атом понимали не только как химический предел делимости веществ (количественный процесс деления при рассечении атома приводит к коренному, качественному преобразованию свойств), но считали атомы принципиально неразрушимыми. В связи с этим вопрос о строении атома казался выходящим за пределы физики. Считали, что все явления должны объясняться соударениями и взаимодействиями атомов и что нет явлений, изучение которых могло бы раскрыть строение атомов.

Для теоретической физики прошлого века было характерно стремление к синтезу механистической атомистики (кинетической теории газов) с динамической атомистикой, которая постепенно приобретала все более обоснованное содержание в учении об

электрической природе молекулярных сил и сил химического сродства. Основа для такого синтеза была дана теорией Фарадея — Максвелла о первенствующей роли среды во всех электромагнитных явлениях, включая явления в абсолютном вакууме. На этой новой почве возродилось декартово стремление рассматривать все процессы, силы и свойства тел как проявление движения атомов и скрытых движений в эфире.

Многие факты указывали на органическую связь электронов с атомами: это стало очевидным из законов электролиза, из опытов с катодными и анодными лучами (открытыми соответственно в 1869 и 1886 гг.), из опытов Столетова по фотоэффекту (1888 г.), из опытов с рентгеновыми лучами (открытыми в 1895 г.).

В те же годы вследствие быстрого развития электротехники (применения с 1891 г. линий электропередач трехфазного тока, электрификации заводов, распространения в городах электрического освещения, телеграфной связи и т. п.) создалось такое положение, что в истолковании электронных процессов физика начала заметно отставать от потребностей практики. Обнаружился главный недостаток теории — отсутствие ясного понимания связи электричества с атомами химических веществ.

Этот недостаток теории остро ощущался также в области применения физики для объяснения химических явлений. Открытие Д. И. Менделеевым периодической системы элементов подняло химию на новую ступень развития и вместе с тем показало, что, несмотря на неизменяемость атомов в химических реакциях, все основные химические свойства атомов (и в особенности их валентность) закономерно определяются структурой атомов.

Предположение об электрическом строении атомов впервые было высказано Вебером (в 1862, 1871, 1875 гг.) и развито в 80-х и 90-х годах Лорентцем. Но опытные данные, пригодные для обоснованного суждения о строении атома, еще отсутствовали. С последних лет прошлого столетия все исследования, которые могли прояснить строение атома, стали привлекать особое внимание

физиков. Это привело на рубеже нашего века к ряду важных открытий.

В 1896 г. французский физик А. Беккерель обнаружил существование особых лучей — радиоактивного излучения, испускаемых постоянно и независимо от внешних условий соединениями урана. Через два года супруги М. Склодовская-Кюри и П. Кюри открыли аналогичное излучение у тория, радия и полония.

Рис. 213. Отклонение радиоактивных лучей в магнитном поле (линии поля перпендикулярны к чертежу и направлены от нас).

В 1903 г. Резерфорд и Содди выдвинули теорию радиоактивного распада атомов. К этому времени уже было установлено, что наблюдаемые при явлениях радиоактивности альфа-лучи представляют поток положительных, дважды ионизированных атомов гелия (как стало ясно позже — ядер гелия); бета-лучи — поток электронов (скорости их впервые были измерены Кауфманом в 1901 г. методом отклонения в магнитном поле; т. II, § 67); гамма-лучи — электромагнитные волны с длиной волны меньшей, чем у самых жестких рентгеновых лучей.

В те же годы выяснилось, что радиоактивные лучи (в особенности -лучи) вызывают сильную ионизацию воздуха и других газов и оказывают (в особенности и -лучи) глубокое физиологическое действие на живые организмы (смертоносны при больших дозах облучения) (рис. 213).

Было показано также, что интенсивность радиоактивного излучения не изменяется при нагревании или охлаждении радиоактивного вещества, не зависит от давления, электризации, намагничивания и не изменяется даже при химических реакциях (например,

хлористый радий можно заменить бромистым, углекислым и т. д.— радиоактивность остается одинаковой при одинаковом содержании радия).

На основе изучения электрических явлений и радиоактивности к первым годам XX в. считалось доказанным, что: 1) внутри атома заключены электроны; 2) силы взаимодействия атомов и молекул (за исключением всемирного тяготения) имеют электрическое происхождение и 3) существует сходство в материальной основеатомов такое, что атом одного элемента может превращаться в атом другого элемента.

Оставалось, однако, неясным, какую роль играет во внутреннем строении атома положительное электричество.

Никакая совокупность точечных положительных и отрицательных зарядов, связанных взаимодействием только по закону Кулона, не может ни при каком расположении зарядов оказаться устойчивой системой» Можно доказать в самом общем виде, что если бы при некотором расположении зарядов силы притяжения и отталкивания между всеми зарядами оказались уравновешенными, то малейший сдвиг одного из зарядов уже безвозвратно нарушил бы равновесие (теорема Ирншоу). Учитывая это и стремясь к наибольшей простоте в гипотезе о строении атома, Кельвин в 1902 г. предположил что положительный заряд атома распределен с равномерной плотностью по объему атома.

Рис. 214. Расположение магнитиков в опытах Майера.

Расчеты Кельвина показали, что внутриатомные электроны вследствие взаимного отталкивания и притяжения к центру атома должны были бы образовать несколько групп в виде концентрических слоев.

Модель атома Кельвина была видоизменена Дж. Дж. Томсоном, который, сохранив гипотезу Кельвина о равномерном распределении положительного электричества, предположил, что электроны движутся по орбитам. Томсон показал, что по законам классической электродинамики количество излучаемой электронами энергии

должно было бы зависеть от степени урегулированности вращения электронов больше, нежели от их скорости. Излучения не было бы совершенно, если бы электроны на орбите были расположены так тесно, что образовали бы непрерывное кольцо отрицательного электричества.

В течение 10 лет теория Дж. Дж. Томсона пользовалась общим признанием. На почве этой первой модели атома было разработано учение о внутриатомных вибраторах, разъяснявшее сложный характер явлений дисперсии и поглощения света, возникло учение о поляризации атомов, был понят физический смысл диэлектрической постоянной, предсказано существование изотопов.