Вещество. Реальность атомов и малекул

Стало ясно, что атом состоит  не из смеси положительно и отрицательно размазанных по его объёму частиц, но из массивного положительного заряда – ядра, окружённого отрицательно заряженными электронами, значительно более лёгкими, чем ядро. Размер ядра, оцененный из этих экспериментов, составляет около 10^-13_см. Как мы помним, размер около 10^-8_см. То есть размер ядра по крайней мере в 10000 раз меньше размера атома.

Основываясь на этих исследованиях, в 1911 году Резерфорд предложил новую, «планетарную» модель, уподоблявшую атом Солнечной системе. В центре находится маленькое положительное  ядро, содержащее почти всю массу  атома, а вокруг ядра – электроны, число которых равно положительному заряду ядра, выраженного в электронных зарядах.

Стала ясна структура  атома, удалось определить число  электронов в каждом атоме. Так в  водороде имеется один электрон и  ядро с положительными зарядом, численно равным заряду электрона. В гелии – два электрона и соответствующим образом заряженное ядро. И так в плоть до урана с 92 электронами и ядром, несущим 92 единицы положительного заряда.

То есть удалось качественную разницу между атомами свести к количественной. Можно расположить атомы в определённом порядке в соответствии с их атомными номерами, причём каждый номер от 1 до 92 (кроме технеция – 43 и прометия – 61) отвечает элементу, обнаруженному в природе.

Существуют также и трансурановые  элементы с атомными номерами более 92. Они имеют малые времена жизни и в природе при естественных условиях не встречаются.

Сведения качественных различий между атомами к количественным представляет собой огромный шаг в перёд. Стала понятна структура периодического закона Менделеева, систематизация атомов.

Однако каждое открытие ставит новые, более сложные вопросы, в частности – о строении вещества. Действительно, почему бром с 35 электронами  – коричневая жидкость, легко образующая химические соединения; криптон с 36 электронами – благородный газ, практически не вступающий в химические соединения; рубидий с 37 электронами – металл, химически очень активный? Почему один лишний электрон приводит к столь резкому изменению свойств элемента? На эти вопросы удалось получить ответ только после того, как была понята квантовая природа материи. Возникают и другие вопросы.

Так, если принимаем планетарную  модель атома, то считая, что электроны  вращаются вокруг ядра, и зная размер атома (радиус орбиты электронов), мы можем  оценить время оборота одного электрона вокруг ядра. Оно составляет около 10^-16_с. Правильность этой оценки легко проверить экспериментально – частота света, испускаемого раскалённым водородом, составляет 10¹⁶Г_ц.

Однако если электрон испускает свет, то есть теряет свою энергию, радиус его орбиты должен уменьшаться и он, в конце концов, должен упасть на ядро. Но этого не происходит.

Более того, раскалённый  и холодный водород должны были бы испускать свет одинаковым образом. Однако холодный водород свет не испускает.

Известно, что каждый атом испускает (или поглощает) свет вполне определённых частот, характерных только для данного атома. На этом основаны, в частности, методы спектрального анализа состава веществ.

Более того, атомы газа сталкиваются между собой один раз  за 10^-12_с,то есть через каждые 10000 оборотов электрона вокруг ядра. И при этом сохраняются и частота излучения, и размер атома… Представим себе, что Солнечная система или Земля столкнутся с подобными себе объектами…

Отметим особо свойства атомных систем, которые не способна описать модель Резерфорда.

1. Устойчивость. Атомы сохраняют свои специфические свойства, несмотря на сильные столкновения и возмущения, которым они подвергаются.
2. Тождественность. Все атомы одного рода (с одинаковым числом электронов) обладают тождественными свойствами. Они испускают и поглощают излучение с одними и теми же частотами, имеют равные размеры, свойства.
3. Воспроизводимость. Способность возвращаться в исходное состояние. Если форма атома была искажена, и его электронные орбиты изменили свой вид в результате внешнего воздействия (высокого давления, соседства других атомов и т.п.), то после устранения причины искажения атом и электронные орбиты вновь приобретут исходную форму.

Эти противоречия показывают, что планетарная модель также  как и её предшественники – только некое приближение к действительному строению атома. Опыты показывают, что атомы как планетарная система не может обладать всеми перечисленными свойствами, то есть эта модель приближена. Нужен новый взгляд на природу атома.

Библиографический список

1. Бабушкин А.Н. Лекции по курсу «Современные концепции естествознания». – Екатеринбург, 1998, 204 с.
2. Гуляев С.С., Жуковский В.М., Комов С.В. «основы естествознания», Екатеринбург, УрГУ, 1997
3. Дубнищева Т.Я. «Концепции современного естествознания», Новосибирск, ЮКЭА», 1997
4. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1998
5. Юрлов В.Ф. Концепции современного естествознания. Киров: ВГПУ, 1997