2.2 Эволюция атомной теории (Evolution of Atomic Theory)¶

Цели обучения¶

К концу этого раздела вы сможете:

очертить ключевые этапы развития современной атомной теории;
кратко изложить и истолковать результаты опытов Томсона, Милликена и Резерфорда;
описать три субатомные частицы, из которых состоят атомы;
дать определение изотопов и привести примеры для нескольких элементов.

Если вещество состоит из атомов, то из чего состоят сами атомы? Являются ли они мельчайшими частицами или существует нечто меньшее? В конце XIX века этими вопросами занимался ряд исследователей, изучавших электрические разряды в газах при низком давлении; наиболее значимое открытие сделал английский физик Джозеф Джон Томсон (J. J. Thomson) с помощью катодной трубки (cathode ray tube). Этот прибор представлял собой запаянную стеклянную трубку, из которой был почти полностью откачан воздух; внутри находились два металлических электрода. При подаче высокого напряжения между электродами появлялся видимый пучок, называемый катодным лучом (cathode ray). Этот пучок отклонялся в сторону положительного заряда и отклонялся от отрицательного, причём при использовании разных металлов для электродов луч возникал тем же способом и обладал теми же свойствами. В аналогичных опытах луч одновременно отклонялся и магнитным полем; измерения величины отклонения и напряжённости магнитного поля позволили Томсону рассчитать отношение заряда к массе (charge-to-mass ratio) частиц катодного луча. Результаты этих измерений показали, что найденные частицы намного легче атомов (Рис. 2.6).

(a) Портрет Дж. Дж. Томсона. (b) Старинная катодная трубка с двумя электродами. (c) Подписанная схема катодной трубки: катод, анод, заряженные пластины, магниты и флуоресцирующая шкала; пучок показан жёлтым.

Рис. 2.6. (a) Дж. Дж. Томсон получал видимый пучок в катодной трубке. (b) Ранняя катодная трубка, изобретённая в 1897 году Фердинандом Брауном. © В катодной трубке пучок (показан жёлтым) выходит из катода и ускоряется, проходя через анод к флуоресцирующей шкале на конце трубки. Одновременные отклонения в приложенных электрическом и магнитном полях позволили Томсону рассчитать отношение заряда к массе частиц, составляющих катодный луч. (источники: a — модификация работы Nobel Foundation; b — модификация работы Eugen Nesper; c — модификация работы «Kurzon»/Wikimedia Commons)

На основании наблюдений Томсон сделал следующие выводы. Частицы притягиваются положительными ($+$) зарядами и отталкиваются отрицательными ($-$), следовательно, они сами заряжены отрицательно (одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые — притягиваются); они менее массивны, чем атомы, и неразличимы независимо от материала источника, а значит, должны быть фундаментальными, субатомными составляющими всех атомов. Хотя поначалу идея была спорной, со временем её приняли; найденная Томсоном частица катодного луча — это то, что мы теперь называем электроном (electron) — отрицательно заряженная субатомная частица (subatomic particle) с массой более чем в тысячу раз меньше массы атома. Сам термин «электрон» предложил в 1891 году ирландский физик Джордж Стоуни от выражения «electric ion».

Дополнительно

Послушать рассказ Томсона о своём открытии собственным голосом можно здесь.

В 1909 году новые сведения об электроне получил американский физик Роберт Милликен (Robert A. Millikan) в опытах с «масляными каплями». Милликен создавал микроскопические капельки масла, которые приобретали электрический заряд за счёт трения при образовании либо при облучении рентгеновскими лучами. Сначала капли падали под действием силы тяжести, но их движение вниз можно было замедлить или даже обратить с помощью электрического поля, создаваемого в нижней части прибора. Подбирая напряжённость поля и проводя тщательные измерения и соответствующие расчёты, Милликен сумел определить заряд отдельных капель (Рис. 2.7).

Схема установки Милликена для опыта с масляными каплями: распылитель масла создаёт капельки, попадающие в камеру с двумя заряженными пластинами и облучаемые рентгеновским источником; за движением капель наблюдают через окуляр телескопа. Рядом приведена таблица измеренных зарядов капель A–E.

Рис. 2.7. В опыте Милликена измерялся заряд отдельных капель масла. Приведённые в таблице данные — пример возможных значений.

Если посмотреть на собранные Милликеном данные о зарядах, можно заметить, что заряд капли масла всегда кратен определённой величине — $1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{Кл}$. Милликен заключил, что это значение и есть фундаментальный заряд — заряд одного электрона, а измеренные им заряды отвечают избытку одного электрона ($1 \times 1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{Кл}$), двух электронов ($2 \times 1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{Кл}$), трёх электронов ($3 \times 1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{Кл}$) и так далее на данной капле. Поскольку заряд электрона стал известен благодаря работам Милликена, а отношение заряда к массе — благодаря работам Томсона ($1{,}759 \times 10^{11}\ \text{Кл/кг}$), оставалось лишь выполнить простой расчёт, чтобы определить и массу электрона:

\[ m_{\text{электрона}} = 1{,}602 \times 10^{-19}\ \text{Кл} \times \frac{1\ \text{кг}}{1{,}759 \times 10^{11}\ \text{Кл}} = 9{,}107 \times 10^{-31}\ \text{кг}. \]

К этому моменту учёные установили, что атом не является неделимым, как полагал Дальтон, и благодаря работам Томсона, Милликена и других величины заряда и массы отрицательно заряженных субатомных частиц — электронов — стали известны. Однако положительно заряженная часть атома была изучена ещё слабо. В 1904 году Томсон предложил модель атома типа «plum pudding» («сливовый пудинг»): положительно заряженная масса с распределёнными в ней электронами, суммарный отрицательный заряд которых равен положительному, поскольку все атомы электрически нейтральны. Конкурирующую модель ещё в 1903 году предложил Хантаро Нагаока: атом, подобный Сатурну, состоящий из положительно заряженной сферы, окружённой кольцом электронов (Рис. 2.8).

(a) Модель атома по Томсону в виде положительно заряженной сферы с вкраплёнными электронами рядом с фотографией английского «сливового пудинга». (b) Сатурноподобная модель атома Нагаоки — положительно заряженная сфера в окружении кольца электронов — рядом с фотографией планеты Сатурн.

Рис. 2.8. (a) По Томсону, атомы напоминали «сливовый пудинг» — английский десерт из влажного пирога с запечёнными изюминами («сливами»). (b) Нагаока предложил, что атомы похожи на планету Сатурн с кольцом электронов вокруг положительно заряженной «планеты». (источники: a — модификация работы «Man vyi»/Wikimedia Commons; b — модификация работы «NASA»/Wikimedia Commons)

Следующий важный шаг в понимании атома сделал Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford), физик из Новой Зеландии, большую часть научной карьеры проведший в Канаде и Англии. Он провёл серию опытов с пучком быстрых положительно заряженных альфа-частиц (alpha particles, $\alpha$-частиц), образующихся при радиоактивном распаде радия; $\alpha$-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов (подробнее о радиоактивном распаде — в главе о ядерной химии). Резерфорд и его сотрудники Ганс Гейгер (позднее прославившийся счётчиком Гейгера) и Эрнест Марсден направляли пучок $\alpha$-частиц — источник был помещён в свинцовый блок, поглощавший большую часть излучения, — на очень тонкую золотую фольгу и изучали рассеяние $\alpha$-частиц с помощью люминесцентного экрана, кратковременно вспыхивавшего в местах попадания частиц.

Что они обнаружили? Большинство частиц проходило сквозь фольгу без какого-либо отклонения. Однако часть отклонялась незначительно, а очень небольшое число — почти точно назад, в сторону источника (Рис. 2.9). Сам Резерфорд так описывал эти результаты: «Это было, пожалуй, самое невероятное событие в моей жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, а он отскочил и попал в вас».¹

$Схема опыта Гейгера и Резерфорда: радиоактивный источник радия в свинцовом блоке испускает пучок $\alpha$-частиц, направленный на тонкую золотую фольгу; вокруг фольги расположен кольцевой люминесцентный экран, регистрирующий вспышки в местах попадания частиц.$

Рис. 2.9. Гейгер и Резерфорд направляли $\alpha$-частицы на золотую фольгу и регистрировали, куда эти частицы попадают, как показано на схематической диаграмме их опыта. Большинство частиц пролетало сквозь фольгу без отклонения, но некоторые отклонялись незначительно, а очень малое число — заметно.

Резерфорд сделал из этого следующие выводы. Поскольку большинство быстро летящих $\alpha$-частиц проходило сквозь атомы золота без отклонения, они должны были двигаться по существу через пустое пространство внутри атома. $\alpha$-частицы заряжены положительно, поэтому отклонения возникали при встрече с другим положительным зарядом (одноимённые заряды отталкиваются). А раз так, то немногие $\alpha$-частицы, резко изменившие траекторию, должны были столкнуться или близко подойти к телу с высоко сосредоточенным положительным зарядом. Поскольку отклонения происходили лишь в малой доле случаев, этот заряд должен был занимать лишь малую часть объёма золотой фольги. Подробно проанализировав серию таких опытов, Резерфорд сделал два вывода:

Объём атома по большей части представляет собой пустое пространство.
В центре каждого атома должно находиться небольшое, относительно тяжёлое, положительно заряженное тело — ядро (nucleus).

Дополнительно

Откройте симуляцию опыта Резерфорда с золотой фольгой (Rutherford's gold foil experiment). Меняя ширину щели, можно сделать пучок $\alpha$-частиц у́же или шире и посмотреть, как это влияет на картину рассеяния.

Этот анализ привёл Резерфорда к модели, в которой атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, где сосредоточена бо́льшая часть массы атома, окружённого отрицательно заряженными электронами; в целом атом электрически нейтрален (Рис. 2.10). После многих дополнительных опытов Резерфорд также установил, что ядра других элементов содержат ядро атома водорода в качестве «строительного блока», и назвал эту более фундаментальную частицу протоном (proton) — положительно заряженной субатомной частицей, находящейся в ядре. С одним дополнением, о котором речь пойдёт ниже, эта ядерная модель атома, предложенная более ста лет назад, используется и сегодня.

$Увеличенный фрагмент золотой фольги, на котором атомы золота изображены как электронные облака с маленькими ядрами в центре. Большинство $\alpha$-частиц пролетает сквозь атомы без отклонения, а немногие, проходящие близко к ядру, заметно отклоняются от исходного направления.$

Рис. 2.10. $\alpha$-частицы отклоняются только тогда, когда сталкиваются с гораздо более тяжёлым положительно заряженным ядром золота или проходят близко к нему. Поскольку ядро очень мало по сравнению с размером атома, отклоняется лишь небольшая часть $\alpha$-частиц. Большинство же проходит через сравнительно большую область, занятую электронами, которые слишком лёгкие, чтобы отклонить быстро движущиеся частицы.

Дополнительно

Симуляция рассеяния по Резерфорду позволяет сравнить «сливово-пудинговый» атом и атом по Резерфорду, выстреливая $\alpha$-частицами в каждый из этих типов атомов.

Ещё одним важным результатом стало открытие изотопов. В начале XX века учёные обнаружили несколько веществ, казавшихся новыми элементами, выделяя их из радиоактивных руд. Например, «новый элемент», образующийся при радиоактивном распаде тория, первоначально назвали мезоторием. Однако более подробный анализ показал, что мезоторий химически идентичен радию (другому продукту распада), несмотря на различие в атомной массе. Этот результат, а также аналогичные данные для других элементов навели английского химика Фредерика Содди на мысль, что у одного и того же элемента могут существовать типы атомов с разной массой, химически неразличимые между собой. Такие разновидности и называются изотопами (isotopes) — атомами одного и того же элемента, различающимися по массе. В 1921 году Содди был удостоен Нобелевской премии по химии за это открытие.

Оставалась одна загадка: в ядре, как было известно, сосредоточена почти вся масса атома, при этом число протонов давало лишь половину этой массы или меньше. Выдвигались разные предположения о том, что составляет недостающую массу, в том числе — о существовании в ядре нейтральных частиц. Как нетрудно ожидать, обнаружить незаряженные частицы очень трудно, и лишь в 1932 году Джеймс Чедвик (James Chadwick) нашёл свидетельства существования нейтронов (neutrons) — незаряженных субатомных частиц с массой, примерно равной массе протона. Существование нейтрона также объясняло изотопы: они различаются по массе, поскольку содержат разное число нейтронов, но химически идентичны, поскольку содержат одинаковое число протонов. Подробнее об этом — далее.

Ernest Rutherford, «The Development of the Theory of Atomic Structure», ed. J. A. Ratcliffe, in Background to Modern Science, eds. Joseph Needham and Walter Pagel, (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1938), 61–74. Accessed September 22, 2014, https://ia600508.us.archive.org/3/items/backgroundtomode032734mbp/backgroundtomode032734mbp.pdf. ↩