Что такое атом

Атомы: строительные блоки молекул

Если молекулы – основные структуры, задействованные в химии – это слова, из которых состоят все окружающие нас материалы, тогда атомы – это буквы, строительные блоки молекул. Слова бывают разной длины, и типичная молекула тоже может содержать несколько атомов, или несколько сотен, или даже сто тысяч атомов. Молекула столовой соли NaCl состоит из двух атомов, натрия Na и хлора Cl. Молекула воды H₂O содержит два атома водорода и один кислорода. Молекула столового сахара C₁₂H₂₂O₁₁ содержит 12 атомов углерода, 11 кислорода и 22 водорода, организованных определённым образом.

Откуда нам известно о существовании атомов? Иногда их можно «видеть», так же, как мы видим молекулы, которые они могут формировать. Не глазами, но более продвинутыми устройствами. Один из методов использует сканирующий туннельный микроскоп, способный показывать атомы в кристалле или даже передвигать их по одному. Другой метод использует нашу возможность захвата ионов (немного изменённых атомов – подробности ниже).

На фото – три иона, пойманных одновременно. На них падает свет, они поглощают его и снова испускают. Повторно испущенный свет можно обнаружить, благодаря чему мы можем увидеть, где находятся ионы – примерно так отражение света от небольшого, но яркого бриллианта может помочь нам найти его.

Сколько же типов атомов существует? Типы называются «химическими элементами» и точное их количество зависит от того, как их считать. Но допустим, что атомный алфавит состоит из примерно сотни химических элементов, а к тонкостям подсчёта вернёмся позже. Так же, как мы могли назначить буквам алфавита от А до Я номера от 1 до 33, каждому элементу назначается не только имя, но и атомный номер (обозначается «Z»). Самые простые атомы – у водорода, их атомный номер = 1. Самые сложные в изобилии встречаются в природе, это уран с атомным номером 92. Другие – кислород (8), азот (7), кальций (20), криптон (36), лантан (57), платина (78). Полный список ищите в периодической системе элементов Менделеева. У каждого элемента своя химия – то, как он ведёт себя внутри молекул – примерно так, как у каждой буквы есть свои правила, по которым она может встречаться в словах.

Вопросы, которые можно задать об атомах:

1. Из чего состоят атомы?
2. В чём смысл атомного номера?
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов?
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой?
5. Как части атома удерживаются вместе?
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы?

Оказывается, на все эти вопросы лучше всего отвечать, начав с первого: из чего состоят атомы? Атомы состоят из того, что обычно называют «субатомными частицами» (к сожалению, этот термин некорректен, поскольку у этих «частиц» есть некоторые свойства, частицам не присущие). Конкретнее, атомы состоят из набора небольших и очень лёгких электронов, окружающих крохотное, но тяжёлое атомное ядро, в котором содержится большая часть массы атома. Ядро состоит из других «частиц», в свою очередь также состоящих из других «частиц», и мы до них ещё доберёмся.

Рисованный атом

Частенько мы видим изображения атомов, нарисованные на книгах по химии, на рекламках и предупреждающих знаках. Пример – рис. 1. Он передаёт очень грубую идею того, как устроен атом: снаружи у него есть определённое количество электронов (синие), и они вращаются вокруг центрального атомного ядра. Ядро – это скопление протонов (красные) и нейтронов (белые).

Теперь мы можем ответить на 2-й вопрос: что означает атомное число Z? Это просто количество протонов в ядре. У кислорода атомный номер 8, и у него в ядре 8 протонов.

В простейших условиях атомное число также равняется количеству электронов атома. С количеством нейтронов всё сложнее, мы вернёмся к этому позже. У электронов отрицательный электрический заряд (-е), а у протонов – положительный (+е). Нейтроны нейтральны, электрического заряда у них нет. Когда количество электронов и протонов совпадает, их заряды взаимно уничтожаются, и у атома электрического заряда не наблюдается – такой атом нейтрален.

Но нет ничего необычного – к примеру, в процессе формирования молекул – если атом приобретёт или потеряет один или несколько внешних, валентных электронов. В этом случае электрические заряды электронов и протонов не уничтожаются, и получившийся заряженный атом называют ионом.

Более реалистичный атом

Хотя рис. 1 примерно описывает архитектуру атома – электроны действительно находятся снаружи, а ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в середине – он совершенно не передаёт реальную форму и суть атома, поскольку он выполнен не в масштабе, а мы живём в квантовом мире, в котором объекты ведут себя так, что их сложно нарисовать или представить.

С проблемой масштаба можно разобраться, нарисовав более точное (хотя всё ещё несовершенное) изображение, рис. 2.

Рис 2. Атом – по большей части пуст (серая область). По нему быстро движутся электроны (голубые точки, нарисованы не в масштабе, а гораздо больше). В центре находится тяжёлое ядро (красные и белые точки, нарисованы больше, чем в масштабе).

Вот, что я попытался передать этим изображением. Во-первых, электроны очень, очень малы, настолько малы, что мы так и не смогли измерить их размер – может статься, что они точечные и не имеют размера, но они точно не больше, чем 1/100 000 000 от диаметра атома. Во-вторых, ядра (и протоны с нейтронами, их составляющие) также крайне малы, хотя они и больше, чем электроны. Их размер измерен, и он примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше диаметра атома. Атом немного похож на деревню. Протоны и нейтроны в ядре – большие дома, находящиеся в центре деревни, а электроны – далеко разбросанные фермерские домики. На большей части сельской местности растут зерновые культуры и нет домов. И хотя территория, считающаяся частью деревни, может быть большой, реально занимаемая домами площадь очень мала.

Но эта аналогия не полная, поскольку электроны, в отличие от фермерских домиков, очень быстро двигаются по серому региону на картинке и вокруг ядра со скоростями порядка 1% от скорости света. Покрываемая ими территория обычно не сферическая, а более сложной формы, кроме того не все электроны перемещаются по одной и той же территории.

Но, как я вас предупреждал, рис. 2 тоже не точный. Во-первых, нужно было бы нарисовать ядро в тысячи раз меньше, а электроны – в миллионы раз меньше, только тогда их не было бы видно. Если бы атом был размером с вашу спальню, то его ядро было бы размером с пылинку. По сравнению со своими компонентами, атомы огромны! В каком-то смысле большую часть атома составляет пустота!

Во-вторых, изображение не передаёт мутную природу квантовой механики. Уравнения квантовой механики описывают и предсказывают поведение молекул, атомов и субатомных частиц, и эти уравнения говорят нам, что у этих частиц могут быть очень странные и неинтуитивные свойства. Хотя электроны в каком-то смысле точечные (допустим, если вы захотите столкнуть два электрона друг с другом, то обнаружите, что можете сдвинуть их вместе на сколь угодно малое расстояние, и они ничем не выдадут своей внутренней структуры, если она вообще есть), есть возможность сделать так, что они, будучи оставленными в покое, будут распространяться как волна и заполнят всё серое пространство на рис. 2. Если это звучит странно, это не оттого, что вы чего-то не поняли: это странно и об этом тяжело думать. Я-то уж точно не знаю, как нарисовать атом, чтобы не вводить вас в заблуждение, и эксперты всё ещё спорят о том, как лучше всего о нём думать. Так что пока просто примите это как странный факт.

Размер электрона слишком мал для измерения, и его масса настолько мала, что электрон может распространиться по всему атому. А вот у ядра есть вполне измеренный и известный размер, а его масса так велика – больше 99,9% массы всего атома – что оно вообще не распределяется в пространстве. Ядро сидит в середине серой области.

Атом и его химия

Лучший приходящий мне в голову способ описать атом: большая часть массы атома содержится в ядре, находящемся в его центре, вокруг которого распределились чрезвычайно мелкие электроны гораздо меньшей массы, причём сделали это совершенно не так, как ведут себя частицы, заполнив всю серую область рис. 2.

Небольшой размер ядра по отношению к полному размеру атома, и то, что оно обычно находится в его центре, объясняет, почему оно играет относительно слабую роль в химии. Химия происходит – то есть, формируются и меняются молекулы – когда атомы приближаются друг к другу, а это происходит, когда внешние, валентные электроны одного атома близко подходят к внешним электронам другого – когда край серой области одного атома приближается к краю серой области другого. В химических процессах атомное ядро остаётся в центрах атомов, и никогда не приближается к другим ядрам. Основная роль ядра – обеспечение положительного заряда, удерживающего электроны, и большей части массы (определяющей, как сложно другим объектам передвигать этот атом).

Это отвечает на 3-й вопрос: химию атома в основном определяют подробности, связанные с его внешними электронами. Эти детали можно узнать (сложным способом, через уравнения квантовой механики), исходя из атомного номера Z.

Вместо того, чтобы заняться химией – темой, которой хватит на целый курс – мы перейдём на уровень ниже, к субатомным частицам, по пути отвечая на другие вопросы. Перечислим вопросы, с которыми мы разобрались, и вопросы, которые ещё предстоит изучить.

1. Из чего состоят атомы? Снаружи – электроны, в центре – атомное ядро (из протонов и нейтронов).
2. В чём смысл атомного номера? Это количество протонов в ядре атома, которое, в обычных условиях равно количеству электронов, его окружающих.
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов? Свойства внешних электронов, определяемые общим количеством электронов у каждого элемента, к примеру, атомным номером.
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой? Обсудим это в статье про изотопы.
5. Как части атома удерживаются вместе? Обсудим это в статье о роли электрических сил и квантовой механики.
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы? Обсудим это в статье о роли электронов и электрических сил в построении молекул из атомов.

А вот вам ещё вопрос, который мог возникнуть при изучении рис. 2:

Если атом – по большей части пуст, почему объекты кажутся твёрдыми? Почему нельзя протянуть руку через экран компьютера, если экран состоит из атомов, по большей части пустых?

Источник

Основы строения атома. Просто о сложном

Все в мире состоит из атомов. Но откуда они взялись, и из чего состоят сами? Сегодня отвечаем на эти простые и фундаментальные вопросы. Ведь многие люди, живущие на планете, говорят, что не понимают строения атомов, из которых сами и состоят.

Естественно, уважаемый читатель понимает, что в данной статье мы стараемся изложить все на максимально простом и интересном уровне, поэтому не «грузим» научными терминами. Тем, кто хочет изучить вопрос на более профессиональном уровне, советуем читать специализированную литературу. Тем не менее, сведения данной статьи могут сослужить хорошую службу в учебе и просто сделать Вас более эрудированными.

Атом – это частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, которая является носителем его свойств. Иными словами, это мельчайшая частица того или иного вещества, которая может вступать в химические реакции.

История открытия и строение

Понятия атома было известно еще в Древней Греции. Атомизм – физическая теория, которая гласит, что все материальные предметы состоят из неделимых частиц. Наряду с Древней Грецией, идеи атомизма параллельно развивался еще и в Древней Индии.

Не известно, рассказали тогдашним философам об атомах инопланетяне, или они додумались сами, но экспериментально подтвердить данную теорию химики смогли много позже – только в семнадцатом веке, когда Европа выплыла из пучины инквизиции и средневековья.

Долгое время господствующим представлением о строении атома было представление о нем как о неделимой частице. То, что атом все-таки можно разделить, выяснилось только в начале двадцатого века. Резерфорд, благодаря своему знаменитому опыту с отклонением альфа-частиц, узнал, что атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Была принята планетарная модель атома, в соответствии с которой электроны вращаются вокруг ядра, как планеты нашей Солнечной системы вокруг звезды.

Ядро атома имеет положительный электрический заряд, а электроны, вращающиеся по орбите – отрицательный. Таким образом, атом электрически нейтрален.

Ниже приведем элементарную схему строения атома углерода.

Схема строения атома

Свойства атомов

Масса

Массу атомов принято измерять в атомных единицах массы – а.е.м. Атомная единица массы представляет собой массу 1/12 части свободно покоящегося атома углерода, находящегося в основном состоянии.

В химии для измерения массы атомов используется понятие «моль». 1 моль – это такое количество вещества, в котором содержится число атомов, равное числу Авогадро.

Размер

При этом, масштабы вещей таковы, что, по сути, атом на 99% состоит из пустоты. Ядро и электроны занимают крайне малую часть его объема. Для наглядности, рассмотрим такой пример. Если представить атом в виде олимпийского стадиона в Пекине (а можно и не в Пекине, просто представьте себе большой стадион), то ядро этого атома будет представлять собой вишенку, находящуюся в центре поля. Орбиты электронов при этом находились бы где-то на уровне верхних трибун, а вишня весила бы 30 миллионов тонн. Впечатляет, не так ли?

Если предсавить атом в виде стадиона, ядро будет размером с вишню в центре поля

Откуда взялись атомы?

В самом начале формирования Вселенной никаких атомов не было и подавно, существовали лишь элементарные частицы, под воздействием огромных температур взаимодействующие между собой. Как сказал бы поэт, это был настоящий апофеоз частиц. В первые три минуты существования Вселенной, из-за понижения температуры и совпадения еще целой кучи факторов, запустился процесс первичного нуклеосинтеза, когда из элементарных частиц появились первые элементы: водород, гелий, литий и дейтерий (тяжелый водород). Именно из этих элементов образовались первые звезды, в недрах которых проходили термоядерные реакции, в результате которых водород и гелий «сгорали», образуя более тяжелые элементы. Если звезда была достаточно большой, то свою жизнь она заканчивала так называемым взрывом «сверхновой», в результате которого атомы выбрасывались в окружающее пространство. Так и получилась вся таблица Менделеева.

Так что, можно сказать, что все атомы, из которых мы состоим, когда-то были частью древних звезд.

Почему ядро атома не распадается?

В физике существует четыре типа фундаментальных взаимодействий между частицами и телами, которые они составляют. Это сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия.

Именно благодаря сильному взаимодействию, которое проявляется в масштабах атомных ядер и отвечает за притяжение между нуклонами, атом и является таким «крепким орешком».

Не так давно люди поняли, что при расщеплении ядер атомов высвобождается огромная энергия. Деление тяжелых атомных ядер является источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Итак, друзья, познакомив Вас со структурой и основами строения атома, нам остается только напомнить о том, что наши авторы готовы в любой момент прийти Вам на помощь. Не важно, нужно Вам выполнить диплом по ядерной физике, или самую маленькую контрольную – ситуации бывают разные, но выход есть из любого положения. Подумайте о масштабах Вселенной, закажите работу в Zaochnik и помните – нет поводов для беспокойства.

Источник

Что такое атом

А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая, химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. [1] Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Содержание

История становления понятия

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что атом в действительности не является неделимым.

На международном съезде химиков в Карлсруэ (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

Модели атомов

Квантово-механическая модель атома

Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1 ⁄₁₂ от массы атома стабильного изотопа углерода 12 C.

Строение атома

Субатомные частицы

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11·10 −31 кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами. [4] Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726·10 −27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929·10 −27 кг). [5]

При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5·10 −15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо. [6]

В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный + 2 ⁄₃ или − 1 ⁄₃ элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами. [7] [8]

Электроны в атоме

При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики, обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов.

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора).

Свойства атома

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий). [9] Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов. [10] Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны. [11] [12]

Масса

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, суммарное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1 ⁄₁₂ часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66·10 −24 г. [13] Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м. [14] Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы [15] Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208 [11] с массой 207,9766521 а. е. м. [16]

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022·10 23 ). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г. [13]

Размер

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь (Ковалентный радиус) или по расстоянию до самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома (Радиус атома). Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин. [17] В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. [18] Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм). [19] Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода. [20] Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2·10 21 ) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. [21] Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода. [22] Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока. [23]

Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра. [24]

Радиоактивный распад

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм [25] ).

Существуют три основные формы радиоактивного распада [26] [27] :

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад, который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа. [25]

Магнитный момент

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством известным как спин. Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственного центра масс, хотя строго говоря, эти частицы являются точечными и нельзя говорить об их вращении. Спин измеряют в единицах приведённой планковской постоянной (), тогда электроны, протоны и нейтроны имеют спин равный ½ . В атоме электроны обращаются вокруг ядра и обладают орбитальным угловым моментом помимо спина, в то время как ядро само по себе имеет угловой момент благодаря ядерному спину. [28]

Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако, наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули, по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — состояние со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов. [29]

В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля. [29] [30]

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако, для некоторых элементов (таких как ксенон-129) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией. Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии. [31] [32]

Энергетические уровни

Когда электрон находится в связанном состоянии в атоме, он обладает потенциальной энергией, которая обратно пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ) и равна энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным, а все остальные — возбуждёнными. [33]

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Это происходит путём соответственно поглощения или испускания фотона, причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Энергия испущенного фотона пропорциональна его частоте, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра. [34] Каждый элемент имеет уникальный спектр испускания, который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов. [35]

Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно переходят на уровень, лежащий ниже по энергии, снова испуская фотоны. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения, в котором имеются серии тёмных полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром, испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём. [36]

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле «тонкой структурой» спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона. [37]

Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.

Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана. Он вызван взаимодействием внешнего магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный (эффект Пашена — Бака). [38] Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка. [39]

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу. Это свойство используется в лазерах, которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот. [40]

Валентность

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки. [41]

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы. Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами. [42] [43]

Дисперсионное притяжение

Источник

Значение слова «атом»

[От греч. ’άτομος — неделимый]

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

Атом состоит из атомного ядра и электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам.

Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе Менделеева и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий). Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

А’ТОМ, а, м. [греч. atomos, букв. неделимый]. Мельчайшая частица материи (в атомистической теории предполагалась неделимой; ест.). Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. || перен. Ничтожная величина, одна из многих незначительных частей какого-н. целого (книжн.).

Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

а́том I

1. физ. хим. мельчайшая частица химического элемента ◆ Атом водорода. ◆ Атом железа. ◆ Разлагать молекулу на атомы.

2. матем. в математической логике — простейший случай формулы; формула, которую нельзя расчленить на подформулы

3. матем. в теории меры — измеримое множество положительной меры, которое не содержит в себе подмножества меньшей положительной меры

Фразеологизмы и устойчивые сочетания

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Я обязательно научусь отличать широко распространённые слова от узкоспециальных.

Насколько понятно значение слова справленный (прилагательное):

Источник

Что такое атом

Полезное

Смотреть что такое «Атом» в других словарях:

атом — атом, а … Русский орфографический словарь

АТОМ — (греч. atomos, от а отриц. част., и tome, tomos отдел, отрезок). Бесконечно малая неделимая частица, совокупность которых составляет всякое физическое тело. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. АТОМ греч … Словарь иностранных слов русского языка

атом — а м. atome m. 1. Мельчайшая неделимая частица вещества. Атомы не могут быть вечны. Кантемир О природе. Ампер полагает, что каждая неделимая частица материи (атом) содержит неотъемлемое от нея количество электричества. ОЗ 1848 56 8 240. Да будет… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

АТОМ — АТОМ, мельчайшая частица вещества, которая может вступать в химические реакции. У каждого вещества имеется характерный только для него набор атомов. В свое время считалось, что атом неделим, однако, он состоит из положительно заряженного ЯДРА,… … Научно-технический энциклопедический словарь

АТОМ — (от греч. atomos – неделимое) мельчайшие составные частицы материи, из которых состоит все сущее, в т. ч. и душа, образованная из тончайших атомов (Левкипп, Демокрит, Эпикур). Атомы вечны, они не возникают и не исчезают, пре • бывая в постоянном… … Философская энциклопедия

Атом — Атом ♦ Atome Этимологически атом – неделимая частица, или частица, подвластная только умозрительному делению; неделимый элемент (atomos) материи. В этом смысле понимают атом Демокрит и Эпикур. Современным ученым хорошо известно, что это… … Философский словарь Спонвиля

АТОМ — (от греч. atomos неделимый) мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. В центре атома находится положительно заряженное Ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; вокруг движутся электроны, образующие электронные … Большой Энциклопедический словарь

АТОМ — муж., греч. неделимое; вещество в крайних пределах делимости своей, незримая пылинка, из каких будто бы составлены все тела, всякое вещество, как бы из песчинок. | Неизмеримая, бесконечно малая пылинка, ничтожное количество. | У химиков слово… … Толковый словарь Даля

атом — См … Словарь синонимов

АТОМ — (от греч. atomos неделимый). Слово А. применяется в современной науке в разных смыслах. В большинстве случаев А. называют предельное количество хим. элемента, дальнейшее дробление к рого ведет к потере индивидуальности элемента, т. е. к резкому… … Большая медицинская энциклопедия

атом — atom Atom частина речовини, яка є найменшим носієм хімічних властивостей певного хімічного елемента. Відомо стільки видів атомів, скільки є хімічних елементів та їх ізотопів. Електрично нейтральний, складається з ядра й електронів. Радіус атома… … Гірничий енциклопедичний словник

Источник

Что такое атом

Атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но содержащие в ядре разное число протонов (изобары), являются атомами разных элементов. Например, атом с массовым числом 58, имеющий в ядре 27 протонов и 31 нейтрон, принадлежит кобальту, а атом с тем же массовым числом 58, имеющий в ядре 28 протонов и 30 нейтронов, принадлежит никелю.

Состояние электрона в атоме

Решение волнового уравнения Шредингера приводит к определению состояния электрона с помощью четырех квантовых чисел, два из которых были предложены еще до представлений о корпускулярно-волновом дуализме электрона.

Первое (главное) квантовое число (n) характеризует удаленность электрона от ядра, т. е. размер орбитали. Чем больше значение главного квантового числа, тем электрон в среднем находится все дальше от ядра и тем большим запасом энергии он обладает. Разница в энергии между орбиталями, отличающимися значениями главного квантового числа, убывает по мере возрастания n. Главное квантовое число характеризует энергетический уровень орбитали, оно может принимать значения целых положительных чисел от 1 до +∞. При n → ∞ электрон полностью преодолевает притяжение со стороны ядра и отрывается от атома, который превращается в положительно заряженный ион. Максимально возможное значение n для электронов невозбужденного атома данного элемента соответствует номеру периода, в котором находится этот элемент, например для водорода n = 1, для серы n = 3, для свинца n = 6.

При значениях n > 1 наблюдается расщепление энергетического уровня на подуровни. Это означает, что электроны, находящиеся на одном энергетическом уровне, несколько отличаются по запасу энергии и, как следствие этого, различаются формами атомных орбиталей.

Источник

Глава 3. Как устроен атом и вообще весь мир

Да, друзья мои, атом делим! Эту радостную новость я вам сообщаю сразу.

Атом тоже являет собой составную конструкцию. Получается, что детальки тоже устроены из деталек, только более мелких. Почему же греки называли атом неделимым? Мы уже знаем ответ: потому что деление мельчайшей крошки вещества – атома – приводит к тому, что вещество перестает существовать в своем привычном виде! Как перестает существовать автомобиль, если его разобрать на отдельные части – колеса, поршни, гайки, рычаги…

Все в мире сделано, как мы уже выяснили, из примерно сотни атомов (химических элементов). А сами атомы? Они состоят всего из трех деталек, только в разных сочетаниях.

В это трудно поверить, но все многообразие окружающей нас природы – звезды, планеты, мама с папой, хлеб, собака, воздух – это всего лишь разные наборы трех частичек, которые сначала складываются в атомы, а уж затем атомы составляют молекулы, строящие мир. Но в основе мира – всего три частицы. Частицы эти называются элементарными.

Опять возникает это слово «элементарные»!

Простейшие химические вещества, которые занесены в таблицу Менделеева, называют химическими элементами. И частицы, из которых сделаны эти элементы, тоже называются элементарными.

А имена у них есть?

Протон, Нейтрон, Электрон. Вся святая троица.

Но прежде, чем рассказать про них подробнее, я отвечу на закономерный вопрос, который должен был снова у вас возникнуть: а из чего сделаны элементарные частицы? Может, они тоже из каких-то еще более мелких деталюшек состоят?

Не вдаваясь в ненужные подробности, отвечу так: нет! Не состоят!

– Позвольте! – скажет мне какой-нибудь умный ребенок, поправляя пальчиком круглые очки. – Позвольте! Весь мой опыт говорит о том, что если по чему-то сильно стукнуть, оно развалится на части. Чашка на осколки, молекула на атомы, атомы – на эти ваши элементарные частицы. А если стукнуть по частицам, на что они развалятся, гражданин хороший?

– Какой умный мальчик! – отвечу я с некоторой робостью. – Проник в самую суть вещей! Стукнуть, говорит, надо. Именно так и поступают физики, когда изучают частицы! Они разгоняют их в специальных ускорителях и стукают друг об друга. А чем их еще стукнуть, чтобы разломать, если они – самые маленькие в мире? Вот их друг об друга и стукают.

И как вы думаете, что получается?

Элементарные частицы не разваливаются на составляющие, а превращаются в другие элементарные частицы. Причем эти превращения, которые называют ядерными реакциями, зависят от скорости, до которой разогнали частицы. То есть от той энергии, которую частицам сообщили. Дело в том, что энергия (скорость) может превращаться в вещество, в массу. И более того – при глубоком рассмотрении оказывается, что это одно и то же – энергия и масса, представляете! Мир един. Но об этом мы поговорим позже.

А сейчас познакомимся поближе с элементарными частицами. Они ужасно милые! (Вообще говоря, элементарных частиц довольно много. Но главных, из которых сделано все вещество в мире, всего три, как уже было сказано. Ими мы и займемся, а остальной вселенский мусор оставим взрослым физикам.)

Давайте с электрона. Он самый маленький, а маленьких обижать нельзя.

Итак, под свет прожекторов на сцену нашего внимания, раскланиваясь, выходит электрон. Что мы можем о нем сказать? Какого он цвета? Он шершавый? Он влажный, твердый, газообразный? Он теплоемкий?

Нет! Все те свойства, к которым мы привыкли в нашем большом мире (он называется макромир), не имеют никакого отношения к миру элементарных частиц (микромиру). Нет в микромире ни цвета, ни запаха, ни шершавости, ни твердости. Это все свойства макромира. Все эти свойства складываются из множества частиц, это макросвойства. А по отдельности частицы этих свойств не имеют.

А что же они имеют?

Ну, что есть у того же электрона? Ведь какие-то свойства у него должны быть! Иначе бы его не существовало! Ведь существовать – это значит проявлять себя как-то, то есть иметь свойства!

Да, некоторые свойства у электрона есть. У него есть масса. Про нее мы уже говорили – электрон очень легонький, самый легонький из всей троицы.

Электрон в 1820 раз легче протона. Для сравнения: если протон – это танк, то электрон – это одна канистра с топливом. Если протон – человек, то электрон – это авторучка в его кармане. Вот такая разница в массе.

Заметили, кстати, новый физический термин необыкновенной сложности – «масса»? Я его как бы между делом ввел. Надеюсь, не огорчил.

Что это такое? Масса – это просто количество вещества. Чем тело тяжелее, тем оно массивнее. Папа массивнее ребенка. Танк массивнее автомобиля. Солнце массивнее Земли.

Массу не нужно путать с весом. Хотя многие взрослые путают. Даже генералы и начальники. А, может, и сам президент. Между тем это совершенно разные вещи! Вес – это сила, с которой Земля притягивает массу. Сила, с которой массивное тело давит на опору, на которой лежит, или растягивает подвес, на котором висит. В космосе, в невесомости никакого веса нет, потому невесомость так и называется. Но все равно даже в невесомости толстый космонавт гораздо массивнее щуплого. И если они оттолкнутся друг от друга, то полетят в разные стороны с разными скоростями – толстый медленно, а щуплый быстро! Потому что количество вещества в их телах разное, в толстом вещества много, а в худом кот наплакал.

Вес и масса физиками даже измеряются в разных единицах – масса в килограммах, а сила в особых единицах – ньютонах. Массу определяют с помощью весов, а силу с помощью специальных приборов – ньютонометров. Усекли?

Массу ученые люди еще называют мерой инертности тела. Действительно, массивное тело очень инертное, чтобы его разогнать, нужно много усилий потратить. А легкое тело и разогнать легче, его инертность мала.

Электрон очень легок. Его масса составляет столь мизерную величину, что ее написание потребует от меня особой внимательности – чтобы в нулях не ошибиться:

0,0000000000000000000000000009 грамма – вот сколько весит электрон.

А еще у электрона есть размер. Он тоже крохотный:

0,00000000000000001 миллиметра – вот какого электрон диаметра.

Электрон можно представить себе, как маленький шарик, который вращается вокруг своей оси. Этакая малюсенькая планетка.

Причем, как вы понимаете, электрончик может вращаться или в одну сторону, или в другую, как это показано на рисунке ниже. И это тоже одно из свойств электрона – левое вращение или правое. По-научному вращение электрона называют спином. Не спиной, поскольку никакой спины у шарика нет, а спином. Спин – это собственное вращение электрона, от английского слова «spin» (вращение).

Вращение летящего в направлении стрелки электрона может быть правым или левым.

Если в винтовочном стволе правая нарезка, то вылетевшая из ствола пуля будет иметь вращение вправо. А если левая – влево. Теперь представьте, что мы стреляем в мишень, свободно закрепленную в центре и могущую вращаться. В этом случае пули с правым вращением, впиваясь в мишень, будут передавать ей свое вращение, постепенно раскручивая в ту же сторону – примерно как отвертка крутит винт.

Если мы не знаем, в какую сторону крутятся вылетающие из ствола пули, можно поставить опыт, стреляя по крутящейся мишени. В какую сторону она завертится, в такую и пули крутятся.

Правые пули закрутят мишень вправо, левые – влево.

Что же такое заряд?

Этого никто не знает. Но зато мы знаем, как загадочный заряд проявляет себя. И вы сейчас это узнаете.

Давным давно люди заметили, что если кусочек янтаря натереть шерстяной тканью, он начнет притягивать маленькие кусочки бумажки. Янтарь – это окаменевшая сосновая смола. Наверняка у вашей мамы есть янтарные безделушки – кулончик или сережки. Безделушки надо приспособить к делу! Возьмите кулон, тщательно выковыряйте из оправы желтоватый янтарь (маме он больше не понадобится), возьмите шерстяной носок, нарвите бумагу на крохотные кусочки. После чего, потерев янтарь, попробуйте притянуть им бумажные клочки.

Надеюсь, вам не влетит за смелые исследования.

На указанное явление впервые обратили внимание те же древние греки, весьма вдумчивый народец. По-гречески янтарь – «электрон». И вы, наверное, уже догадались, что за притягивание бумажек отвечают электроны, раз эти частички физиками были названы в честь янтаря.

Действительно, в этом простом эксперименте человечество впервые столкнулось с действием электрических сил, которые обусловлены электрическим зарядом.

Теперь-то мы к электричеству привыкли. Теперь мы без него жить не можем. Теперь у нас кругом розетки, которые больно бьют током догадливых детей, додумавшихся сунуть туда свой тонкий пальчик. Теперь нас просто окружает электричество, без коего и шагу не ступить. Стиральные машины, лифты, лампы, холодильники, троллейбусы и электрички, радиоприемники и телевизоры, заводы и фабрики – все работает на электричестве. Линии электропередач передают потребителям электрический ток, который вырабатывается электростанциями.

А что такое электрический ток?

Нет ничего проще! Поток электронов – вот что такое электроток. Как река – это течение триллионов и биллионов молекул воды по руслу, так и электрический ток – это течение миллиардов электронов по металлическому проводу. Все металлы очень хорошо проводят ток. Это отличительное свойство металлов, на которое ученые давно обратили внимание. Сегодня в кристаллической решетке металла мы умеем организовывать организованное течение мириадов элементарных частичек под названием электроны. Греки добывали чуть-чуть электричества, натирая шерстью янтарь. У нас же теперь – целые электростанции, которые занимаются производством электроэнергии. Уйму тока дают!

Короче говоря, заряд электрона – это некое свойство, которое характеризуется… чем? Ясно, чем характеризуется масса. Инертностью! Чем массивнее тело, тем труднее его разгонять. Попробовали потолкать – ого! тяжеленное! А заряд как обнаружить?

А заряд проявляет себя тем, что он притягивается к другому заряду – противоположному.

Существуют два вида зарядов – положительный и отрицательный. Ничего положительного и отрицательного в бытовом смысле в них нет, они не хорошие и не плохие, просто их так назвали когда-то да и все. Обозначают положительный заряд знаком плюс – «+», а отрицательный знаком минус – «-». Эти знаки вы тыщу раз видели на разных батарейках. А если не видели, сходите да посмотрите. Мне кажется, лучше всего попробовать выломать батарейку из папиных часов с помощью молотка и отвертки.

Электрон является носителем отрицательного заряда, а протон – положительного. Разноименные заряды притягиваются друг к другу, одноименные отталкиваются. Это прекрасно видно на рисунке.

Притяжение и отталкивание электрических зарядов.

Вот так мы и к протону незаметно перешли. Посмотрим-ка на него внимательно.

Если электрон маленький, легонький и электроотрицательный (минус), то протон большой, тяжелый и электроположительный (плюс). Полная противоположность! При этом протон и электрон притягиваются друг к другу.

А почему, собственно говоря, разноименные заряды притягиваются? И почему одноименные отталкиваются?

Этого никто не знает. Но это так! Уж такое это свойство – электрический заряд. Именно так оно себя проявляет. Понять, почему именно так, на современном этапе развития науки нельзя, можно только привыкнуть. Привычка вполне заменят понимание. Можно сказать, что привычка и есть понимание. Привык – и вроде как понимаешь.

Электрон и протон – на вид очень разные ребята. И масса, и размер у них разные. А вот заряд одинаковый – заряд протона в точности равен заряду электрона, только знак имеет противоположный.

Что еще сказать о протоне? По сравнению с электроном он просто гигант! Если вы забыли, я напомню – протон в 1820 раз тяжелее электрона. И по размерам, соответственно, больше.

Поскольку плюс и минус притягиваются, протон и электрон притягиваются друг к другу и могут образовать пару, напоминающую звездную систему. Только в звездной системе планета кружится вокруг светила, а тут электрон будет кружиться вокруг протона.

Самая простая подобного рода система состоит из одного протона, вокруг которого крутится один электрон.

Латинской буквой «Р» в научном мире обознается протон, а значком «е» – электрон. Плюсик обозначает положительный заряд у протона, минусик – отрицательный у электрона. Впрочем, это вы и так уже поняли, я думаю.

Аналогичные, казалось бы, системы. Только одна из них (звездная) существует в макромире, а другая (атомная) в микромире. Но разница, тем не менее, есть. И состоит она, главным образом в том, что планета и звезда электронейтральны, то есть не обладают зарядом (никто еще не догадался потереть Солнце шерстяной тряпочкой). А электрон и протон обладают зарядом, то есть их притягивает друг к другу электрический заряд. А планету к звезде притягивает сила всемирного тяготения, которая действует на все массивные тела. Та самая, которая бросает вас на землю, когда вы спотыкаетесь и падаете. Та самая, которая неудержимо влечет вниз любимую мамину чашку, которую вы взяли без разрешения и уронили. Почему она на пол-то летит, свинья такая?

Все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. И чем больше масса, тем сильнее.

Вообще-то говоря, электрон и протон тоже имеют массу и потому притягиваются друг к другу без всякого заряда. Но их массы такие крошечные, что не смогли бы устроить между ними устойчивую связь без помощи зарядов.

А знаете, что это такое у нас получилось – ну, когда один электрон мы запустили крутиться вокруг одного протона?

Это атом водорода.

Самый легкий химический элемент. Самое простое вещество на свете. Номер первый в таблице Менделеева. Всего-навсего один протон и один электрон – и вот мы уже имеем газ водород. Вообще-то, строго говоря, в атомарном состоянии водород как газ не встречается. Он существует в виде молекулы из двух атомов водорода – Н₂. Два атома водорода сцепляются вместе и образуют молекулу газа по имени водород. Но это уже мелочи. Главное, что нам удалось собрать всего из двух элементарных частиц первое химическое вещество. Для этого даже третья элементарная частица не понадобилась – нейтрон.

Нейтрон – парень скромный. Он не обладает таким ярким характером, как протон, хотя они очень похожи. У нейтрона почти такая же масса, как у протона, и практически такой же размер. Но заряда у нейтрона нет. Он нейтральный.

А на фиг он тогда нужен?

И вправду, мы вон вполне удачно собрали первое, правда, пока самое простое вещество всего из двух элементарных частичек. Так зачем нужен нейтрон?

Разгадку этой загадки я открою чуть позже. А пока скажу обтекаемо: природе нейтрон зачем-то понадобился. И уже в следующем химическом элементе он присутствует.

Давайте попробуем собрать что-нибудь посложнее водорода!

Как? Простая логика подсказывает: если у нас в простейшем веществе две частички, надо добавить еще одну – третью. Вот вокруг нашего Солнца вращается около десятка планет. И поскольку атом напоминает планетную систему, давайте запустим вокруг протона еще несколько электронов.

Это будет сложновато! Я ведь не зря выше сказал, что заряды протона и электрона равны. Положительный заряд протона уже скомпенсирован отрицательным зарядом электрона, который кружится вокруг него. У протона уже силенки не хватит притянуть и удержать еще один электрон.

К тому же надо вот на что внимание обратить – атом водорода электронейтрален, то есть минусовый заряд электрона компенсируется в нем плюсовым зарядом протона. Потому и говорят, что для внешнего наблюдателя атом нейтрален. Все вещество, которое нас окружает, электронейтрально. А если случайно на нем накопится заряд, как на синтетической кофте, которую снимают через голову, или на янтаре, когда его шерстью потрешь, то вещество начнет притягивать мелкие предметы, потрескивать и даже искрить. Потрите резиновый воздушный шарик о голову, и он начнет волосы притягивать. Но это редкость, обычно вещество у нас в руках не искрит, не трещит, никуда ничего не притягивает и вообще ведет себя прилично. Нейтрально.

Поэтому если нам надо создать вещество, поимеем в виду, что оно должно быть электронейтрально, то есть число плюсиков в его атоме должно быть равно числу минусиков.

Значит, чтобы собрать что-то посложнее водорода, нужно в дополнение ко второму электрону на орбите всобачить ему в центр (в ядро) еще один протон. Потому что один протон два электрона не удержит, заряда не хватит. А два протона запросто удержат два электрона. И тогда все уравновесится – в ядре атома будет два плюсовых заряда от двух протонов, а вокруг будут крутиться два электрона с двумя минусовыми зарядиками. И в целом атом останется электронейтральным.

И таким образом что у нас получилось?

У нас почти получился гелий – вещество номер 2 в таблице Менделеева. До настоящего гелия ему не хватает только двух нейтронов в ядре. Добавим их, и получится гелий.

Атом гелия – два протона, два нейтрона, два электрона. Отлично поработали!

Природа устроила так, что количеству протонов в ядре атома приблизительно соответствует количество нейтронов. То есть если мы будем сооружать атом, например, с 10 протонами в ядре и 10 электронами на орбитах, то нам придется вдуть в ядро еще с десяток нейтронов. Балласт.

Поскольку протоны и нейтроны очень похожи (за исключением заряда), их часто называют одним словом – нуклоны. Ядро атома состоит из нуклонов, а вокруг кружатся в бесконечном вальсе электроны. Прелестно!

Из этих трех деталюшек складывается весь наш мир.

Ну, вот, собственно, и все! Вся природа у нас в кармане! Теперь нами понят ее главный принцип.

Как собрать следующий, третий по счету химический элемент в таблице Менделеева? Очень просто. Берем три протона, три нейтрона и три электрона. Нуклоны скатываем, как снежок, в одно ядро, вокруг запускаем три штучки электрончиков – и получаем литий. Литий – это уже не газ. Это уже легкий металл. Самый легкий металл на свете.

Вы, надеюсь, уже нашли водород, гелий и литий в таблице Менделеева…

А теперь поступим так. Найдите-ка в таблице наше родное и всеми горячо любимое золото. Стойте. Лучше, чтобы вы не листали книгу туда-сюда, я просто сам перенесу из таблицы Менделеева клеточку с золотом сюда. И расположу ее чуть ниже золотых слитков.

Золото. Согласитесь, посмотреть приятно! Эти бы слитки да в хорошие руки! А вот клеточка из таблицы Менделеева, где томится золото.

Мы видим тут значок золота – Au (аурум) – и две цифры. Верхняя – это порядковый номер элемента в таблице Менделеева. У золота № 79. Почему такой?

Отчего золото оказалось в периодической таблице элементов под номером 79?

Не знаете? А могли бы и догадаться! Вспомните, как мы строили первые три простейшие вещества. У первого, водорода – один протон и один электрон. У второго, гелия – по два. У третьего, лития – по три. Уловили закономерность? Порядковый номер – это количество протонов в ядре атома и электронов на орбите, вот и все! Если элемент стоит в таблице Менделеева пятым, то это только потому, что у него пять протонов в ядре, а вокруг кружатся 5 электронов.

А вторая цифра, которая внизу, что значит? Выглядит она страшно, но пугаться не стоит. Это атомная масса. Только выражена она не в килограммах или граммах, а в атомных единицах, где гирькой служит нуклон. 1 нуклон – это одна единица массы. Два нуклона – две единицы атомной массы. Крайне просто.

Иногда еще атомную массу называют атомным весом.

Мы знаем, что вес и масса – разные вещи, но так сложилось в науке, что атомный вес является синонимом атомной массы. Примем это как данность. Жалко что ли? Мы же говорим «чайник закипел», хотя кипит вовсе не чайник, а вода в чайнике.

В мире атомов вес измеряется в атомных единицах

Так вот, каков атомный вес водорода? Одна атомная единица! Потому что в его ядре один нуклон. А у гелия? Четыре! Потому что в ядре гелия четыре нуклона – две гирьки протонов, а еще и две гирьки нейтронов. (Электроны при определении атомного веса не учитываются из-за чрезвычайной легкости.)

Проще говоря, атомная масса, которая указана возле каждого элемента в таблице Менделеева до запятой – это общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) в его ядре.

Посмотрите, в ядре атома золота 196 частиц. Протонов там, как мы уже выяснили, 79 штук. Все остальное – нейтроны. Возьмите калькулятор и посчитайте… Не хотите? Ну, ладно, я за вас посчитаю:

Получается, у золота 117 нейтронов в атоме.

Внимательный детский глаз может, еще раз оглядев клеточку золота, вырезанную из менделеевской таблицы, послать сигнал в хитрый детский мозг, и мозг озаботится ненужным вопросом:

– Дяденька писатель! А что там еще за цифры стоят после запятой? Ну, после 196?

Ох, не хотел я вам этого говорить, дети, хотел утаить, но раз к стенке приперли, придется расколоться.

Это очень трудно, друзья мои! Не каждый взрослый об этом знает! А вы поймете за одну минуту.

В обычном нормальном атоме золота, как мы уже выяснили, 117 нейтронов и 79 протонов. Но иногда встречаются атомы-уродцы. Довольно редко. У них есть лишние нейтроны. Как иногда у людей бывает по шесть пальцев на руках. Нечастое явление.

Предположим, на тысячу нормальных атомов приходится один дефектный. И если в норме в атоме золота 117 нейтронов, то иногда встречаются «вспухшие» уродливые атомы, в которых 118 нейтронов. Все помидорчики как помидорчики, а у одного помидора какой-то уродский вырост на боку. Ничего, мы и такой съедим.

Атомы-уродцы называют изотопами. Именно из-за них, кособоких паразитов средний вес всех атомов отличается от целого числа. Что понятно: если у нас из десяти атомов все десять имеют атомный вес в 6 единиц, то и средний атомный вес будет равен ровно шести:

А вот если один из десяти атомов имеет вес в 7 единиц, средний вес изменится:

(6+6+6+6+6+7+6+6+6+6): 10 = 6, 1

Видите, после запятой появилась циферка, которая говорит о том, что не «все шестерки одинаковы».

Если вы внимательно посмотрите на атомные веса элементов в таблице Менделеева, то увидите, что все они не являются целыми числами. Значит, каждое элементарное вещество имеет уродливые атомы. Даже водород. Хотя, казалось бы, проще водорода ничего быть не может – один протон, вокруг которого крутится один электрон, вот и весь атом. Эта не какой-нибудь свинец, у которого в ядре больше двух сотен нуклонов, а вокруг этого огромного ядра кружится больше восьмидесяти электронов!

Однако все же бывают атомы водорода, в ядре которых, кроме протона, есть еще и нейтрон. Один. А порой и два! Такой водород называют тяжелым. Потому что его атом тяжелее обычного.

На рисунке ниже нарисованы атомы нормального водорода и редкие уродики, а также написано, как эти уродики называются.

Но так как атомы-уродцы встречаются редко, говорить мы о них пока прекращаем. Я рассказал вам про изотопы лишь затем, чтобы объяснить наличие циферок после запятой. Вы на эти циферки просто внимания не обращайте да и все.

Вы теперь и так знаете слишком много! Вы представляете, по каким принципам строится вещество. Берите любой атом из таблицы Менделеева и рассказывайте про него маме или даже папе. Задавайте контрольные вопросы. Проверяйте усвоенный материал.

А пока взрослые морщат лоб и мычат в свое оправдание что-то типа «я, конечно, в школе учи-и-ил, но забы-ы-ыл», мы с вами возьмем сейчас тот же хлор и натрий, из которого ранее соль поваренную делали, и посмотрим, что тут к чему.

Натрий. Легкий металл. Как он сделан? Его номер 11-й. Значит, 11 протонов и 11 электронов. Атомный вес натрия – 22. То есть в ядре 22 нуклона.

22 нуклона минус 11 протонов = 11 нейтронов. Все. Атом натрия готов.

Теперь хлор надо собрать по инструкции дяденьки Менделеева.

У хлора номер 17. То есть 17 протонов и 17 электронов. Атомный вес (число нуклонов в ядре) – 35.

35 – 17 = 18 нейтронов. Все, собрали хлор.

Теперь соединяем два этих атома – хлора и натрия, – зацепив один за другой колечками самых дальних электронных орбит, и получаем сложное вещество – молекулу поваренной соли.

Так строятся все вещества – сцепляясь дальними орбитами электронов. При этом дальние электрончики, которые крутились на этих орбитах, становятся как бы общими для обоих ядер.

Все, можно стереть пот со лба. Мы освоили химию и физику элементарных частиц. Слава Менделееву! Науке слава!

Молекула поваренной соли – хлорид натрия. Кушать подано!

Теперь осталась одна маленькая деталь, которую нужно знать каждому приличному ребенку. Один маленький штрих, который завершит картину мироздания, сделав ее в ваших блестящих глазах более полной и блестящей.

Итак, мы знаем, что практически все окружающее нас вещество электронейтрально. Если вы дотрагиваетесь до шкафа, он не бьет вас током. Потому что в веществе шкафа количество положительных зарядов равно количеству отрицательных. Его атомы электронейтральны.

Но что будет, если атом потеряет один или два электрона? Вот такой рассеянный атом. Может такое быть? Может! Какое-нибудь сильное воздействие может парочку электрончиков у атома оторвать.

Вы скажете (подсмотрев в таблицу Менделеева):

– Ха! Даже если такое случится, невелика потеря! Вокруг ядра атома могут крутиться под сотню электронов! Например, у радия их 88. Некисло так! Подумаешь, пару потеряет…

Однако потеря даже одного отрицательного заряда означает избыток заряда положительного. Если атом теряет электрон, значит у него остается один «лишний», нескомпенсированный протон. И атом в целом таким образом приобретает положительный заряд +1.

А если атом теряет два электрона, то он приобретает заряд +2.

Бывает и наоборот – когда к атому присоседится какой-нибудь приблудный лишний электрон. В этом случае атом получает один отрицательный заряд —1.

Случаи бывают разные…

Такие заряженные атомы называются ионами.

Когда происходит подобное? Из-за чего атомы могут, например, терять электроны?

Это бывает при высоких температурах, то есть тогда, когда атомы газа имеют большую энергию и скорости, носятся, как сумасшедшие, сталкиваются друг с другом. Мы ведь с вами помним, что частота и скорость соударений и есть температура. В обычном воздухе скорость соударений молекул невелика. А вот на Солнце раскаленный газ имеет температуру в тысячи (на поверхности Солнца) и даже десятки миллионов градусов (внутри нашего светила). Я сказал «на Солнце»? Это немного неточно. Скорее, «в Солнце». Потому что Солнце представляет собой раскаленный газовый шар. В основном оно состоит из водорода с небольшой примесью гелия.

Так вот в этих условиях скорость соударения атомов водорода такова, что «крышу срывает» у атомов на всю катушку. Атомы разрушаются, электроны слетают со своих орбит и начинают метаться одни, так же, как и протоны. Получается хаотическая электронно-протонная смесь или, иначе говоря, ионизированная плазма.

Плазма – горячая смесь ионов. Огонь – это тоже плазма. Только в обычном пламени костра или свечи содержание ионов не такое большое, как на Солнце, потому что температура ниже.

Я загрузил вас новыми словами – «ионы», «плазма». Но зато теперь вы можете похвастаться тем, что знаете целых четыре состояния вещества!

Первое – твердое. Атомы и молекулы в таком веществе крепко держатся друг за друга, никуда не бегают, а только чуть-чуть дрожат и топчутся на одном месте, образуя кристаллическую решетку.

Второе состояние вещества – жидкое. Здесь уже энергетика частичек вещества такова, что они ломают кристаллическую структуру, рушат тесные ряды и начинают хаотически бродить, будучи не в силах удержаться в твердой структуре. Растекаются. Но еще не разлетаются друг от друга.

Разлетаться они начнут в третьем состоянии вещества – газообразном, которое наступит при дальнейшем нагреве, то есть дальнейшей накачке вещества энергией. Тогда скорость атомов станет уже такой, что силы их притяжения не смогут сдерживать энергичность расшалившихся атомов. Они просто разлетятся друг от друга и рассеются в пространстве.

Если же газ собрать в каком-то закрытом объеме или просто удерживать мощной силой гравитации (как на Солнце) и продолжать нагревать, то энергетика атомов станет уже такой огромной, что при столкновении друг с другом будут разрушаться уже сами атомы – с них начнет срывать электронные шубы. И останутся только ионы, ионизированный газ – плазма. При этом газ начнет светиться, что говорит о его высокой температуре.

Плазма – это прекрасно. Мы любим смотреть на плазму…

Источник

Что такое атом

АТОМ (от греч. atomos – неделимый), наименьшая возможная частица любого из простейших химических веществ, называемых элементами. Понятие атома, как и само слово, – древнегреческого происхождения, но только в 20 в. истинность атомной гипотезы была твердо установлена. Основная идея, остававшаяся привлекательной для научного и поэтического воображения во все века, состоит в том, что за непрерывными изменениями наблюдаемого мира кроется некий неизменный мир. Этот мир прост, ибо каждый из атомов в точности тождествен всем остальным атомам того же рода, обладает сравнительно простой структурой и существовал от начала времен. Эти идеи с некоторыми оговорками можно рассматривать как концентрированное выражение самой сути даже абстрактной и изощренной современной теории. Подобно самим атомам, они являются наиболее стойкими из всех идей античной науки.
См. также ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ.

По-видимому, первыми начали проповедовать атомистическое учение философ Левкипп с острова Милет в 5 в. до н.э. и его более известный ученик Демокрит из Абдеры. И хотя их работы не сохранились, за исключением отдельных фрагментов, все же ясно, что они исходили из небольшого числа простых физических гипотез, а соображения, которые их привели к этим гипотезам, были достаточно абстрактными. По Демокриту, вся природа состоит из атомов, мельчайших частиц вещества, покоящихся или движущихся в абсолютно пустом пространстве. Все атомы имеют простую форму, а атомы одного сорта тождественны; разнообразие природы отражает разнообразие форм атомов и разнообразие способов, которыми атомы могут сцепляться между собой. И Демокрит, и Левкипп учили, что, начав двигаться, атомы затем движутся по законам природы. Эта мысль, если ее последовательно придерживаться, приводит к строго детерминистскому взгляду на природу, в которой случай и свобода воли не играют никакой роли, хотя нет никаких документальных подтверждений того, что основатели атомистической теории доходили до такого вывода.

Наиболее трудным для древних греков был вопрос о физической реальности основных понятий атомизма. В каком смысле можно было говорить о реальности пустоты, если она, лишенная вещества, не может обладать никакими физическими свойствами? Ответ Левкиппа был безоговорочен: «то, что есть [т.е. атомы], не более реально, чем то, чего нет [ т.е. пустота]». Аристотель и многие другие находили это утверждение логически неприемлемым. Идеи Левкиппа и Демокрита не могли служить удовлетворительной основой теории вещества и в принципиальном физическом плане, поскольку не объясняли, ни из чего сделаны атомы, ни почему атомы неделимы. В Тимее, написанном через поколение после Демокрита, Платон предложил чисто платоново решение этих проблем: «мельчайшие частицы» (из осторожности он не называл их атомами) принадлежат не царству материи, а царству геометрии; они представляют собой различные телесные геометрические фигуры, ограниченные плоскими треугольниками. Хотя платоново решение может показаться метафизической уверткой, попыткой избежать ответа на физический вопрос, Платон, как увидим, с его поразительным чутьем на научный факт подошел к современным идеям гораздо ближе, чем Демокрит.

Через тысячу лет умозрительные построения древних греков проникли в Индию и были восприняты некоторыми школами индийской философии, правда, с одной характерной и важной поправкой. В западной философии вплоть до конца 1920-х годов считалось, что атомистическая теория должна стать конкретной, объективной основой теории материального мира. Индийская же философия всегда воспринимала объективный материальный мир как иллюзию, и когда атомизм появился в Индии, он принял форму теории, согласно которой реальностью в мире обладает процесс, а не субстанция, что мы присутствуем в мире как звенья процесса, а не как сгустки вещества, и что атомистическими являются именно процессы, особенно порождающие наши ощущения. Хотя для западного ума воспринимать индийские тексты, понимать их и тем более соглашаться с тем, что в них написано, – занятие трудное, все же, как мы увидим, восточные идеи содержат в себе зародыши современного научного образа мыслей. Как бы то ни было, и Платон, и индийские философы имели ответы на центральный вопрос атомистического учения Демокрита: если природа в конечном счете состоит из мельчайших, но имеющих конечные размеры частиц, то почему их нельзя разделить, по крайней мере мысленно, на еще более мелкие части, которые стали бы предметами дальнейшего рассмотрения? Ответ в обоих случаях гласил, что атомистическая реальность не лежит в царстве обычной субстанции. Минули многие века, прежде чем эти альтернативы стало возможно исследовать научными средствами. Но и сегодня мы имеем довольно туманные представления о том, каковы должны быть характер и содержание удовлетворительной теории материи.

Идеи Демокрита дошли до нас главным образом через сочинение римского поэта Тита Лукреция Кара (ок. 96 – 55 до н.э.) – обширную поэму О природе вещей (De rerum natura), содержательно и красочно повествующую о происхождении и природе земных вещей. Лукреций подробно излагает атомистическую теорию, дошедшую до него от Левкиппа и Демокрита через учение Эпикура Самосского (ок. 341–270 до н.э.). Он выстраивает факты, свидетельствующие в пользу атомистической теории; ветер, дующий с огромной силой, хотя никто не может видеть его, должно быть, состоит из частиц, слишком малых для того, чтобы их можно было видеть. Мы можем ощущать вещи на расстоянии по запахам, звукам и теплу, хотя все это распространяется, оставаясь невидимым. Для примера Лукреций говорит об одежде, впитывающей влагу на морском берегу у самой воды:

«И. на морском берегу, разбивающем волны,

Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет;

Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает,

Да и не видно того, как она исчезает от зноя.

Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,

Что недоступны они совершенно для нашего глаза.»

(Пер. Ф.Петровского, кн. 1, 300–310.)

И хотя сегодня обычно никто не мыслит звук и тепло как состоящие из атомов, другие примеры, приводимые Лукрецием, и с современной точки зрения служат вполне приемлемым подтверждением гипотезы существования атомов.

Лукреций связывает свойства вещей со свойствами составляющих их атомов: атомы жидкости малы и округлы, поэтому жидкость течет так легко и проникает сквозь пористое вещество, тогда как атомы твердых веществ имеют крючки, которыми они сцеплены между собой. Точно так же различные вкусовые ощущения и звуки различной громкости и тембра состоят из атомов соответствующих форм – от простых и гармоничных до извилистых и нерегулярных.

Лукреций, один из немногих римлян, питавших интерес к чистой науке, был к тому же первым из великих римских поэтов. Но его идеи, как и идеи его учителя Эпикура, допускают интерпретацию, которую можно было бы назвать материалистической: например, представление о том, что Бог, запустив единожды атомный механизм, более не вмешивается в его работу или что душа умирает вместе с телом. Поэтому учения Лукреция и Эпикура были осуждены церковью и оставались почти неизвестными в средние века. Никаких известных рукописей Лукреция, датированных 9–15 вв., не сохранилось, а те немногие фрагменты атомистической философии, которые дошли до нас с того времени, скорее всего представляют плод собственных умозаключений средневековых мыслителей, опирающихся на туманную традицию.

В конце 16 в. итальянский философ Дж.Бруно (ок. 1548–1600) странствовал по Европе, проповедуя картину мироздания, в основе которой лежали взгляды Коперника и Лукреция. В обществе, все еще находившемся под сильным влиянием церкви, проповеди Бруно звучали необычайно новаторски и дерзко, и Бруно был приговорен к сожжению на костре. Однако его взгляды не оказали большого влияния на современную науку. Что же касается атомов Бруно, то они имели мало общего с атомами Лукреция, представляя собой философские абстракции, более напоминающие монады Лейбница.

Некоторые из первых атомистических представлений, носящих уже современную окраску, появились в сочинении Галилея (1564–1642) Пробирных дел мастер (Il Saggiatore, 1623). Переход был кратким, но явственно ощутимым: вещество состоит из частиц, которые не пребывают в состоянии покоя, а под воздействием тепла движутся во все стороны; тепло – не что иное, как движение частиц. Структура частиц сложна, и если лишить любую частицу ее материальной оболочки, то изнутри брызнет свет. Галилей был первым, кто, хотя и в фантастической форме, представил строение атома, и первым, кто интуитивно угадал важную связь между теориями света и атома, – связь, давшую много открытий в 20 в.
См. также СВЕТ.

Относительным забвением сочинений Лукреция, возможно, объясняется, почему Лукрецию уделялось мало внимания как в эпоху Возрождения. Но есть еще одна причина, связанная с утверждением более высокого стандарта знания. Древние не оставили нам в наследство никакого учения о том, что представляют собой атомы, а с пробуждением интереса к этому предмету данный вопрос приобрел первостепенное значение. Первые сведения о свойствах отдельных атомов были почерпнуты из химических опытов в начале 18 в.

В античности широкое хождение имела теория, традиционно приписываемая Эмпедоклу (492–432 до н.э.), согласно которой вся материя в конечном счете сводится к четырем элементам (земле, воздуху, огню и воде), смешанным в разных пропорциях. Но такая теория отнюдь не была химической; элементы в античности были придуманы для объяснения таких физических свойств, как влажность и сухость, тепло и холод, стремление к подъему и падению. Никто никогда не рассматривал всерьез возможность того, что существуют только четыре разновидности атомов. Античное представление об атоме, когда его удалось сформулировать явно со всеми подробностями, оказалось более близким нашему представлению о молекуле, ибо в древности предполагалось, что каждое вещество с его особыми свойствами состоит из атомов своего вида.

В средние века алхимики (бывшие почти единственными представителями той категории людей, которых ныне называли бы чистыми учеными) правильно идентифицировали такие химические элементы, как сера и ртуть, и ошибочно некоторые другие. Но атомистическая теория в мышлении алхимиков занимала весьма незначительное место, оставаясь в основном достоянием философов.

Научные основы.

Научные основы современной атомистической теории были заложены к середине 17 в.; возрождением и распространением эпикурейской философии активно занимался П.Гассенди (1592–1655) в институте Коллеж-де-Франс. В 1758 итальянский иезуит Р.Боскович (1711–1787) высказал плодотворную идею, согласно которой каждый из атомов испытывает со стороны других атомов силы двух типов: короткодействующую силу притяжения (половинки сломанной палки уже не притягивают друг друга) и еще более короткодействующую и более интенсивную силу отталкивания (большинство твердых тел сопротивляется сжатию сильнее, чем растяжению). Между тем в 1738 швейцарский математик и физик Д.Бернулли (1700–1782) использовал атомистическую теорию для объяснения одного из известных свойств газов: если газ сжимать при постоянной температуре, то его давление Р повышается, а объем V уменьшается, причем так, что произведение PV остается постоянным. В своих рассуждениях Бернулли исходил из того, что атомы газа очень малы, что они очень быстро и хаотически движутся и что давление газа есть следствие многочисленных очень слабых ударов атомов о стенки сосуда. Доказательство Бернулли сегодня можно было бы усовершенствовать, но его основные идеи остались бы неизменными.
См. также МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ.

Величайший ученый той эпохи И.Ньютон (1643–1727) проявлял живой интерес к атомной гипотезе, хотя разработкой детальной атомистической теории не занимался. На первый взгляд это кажется удивительным, но не следует забывать, что Ньютон обладал необычайно развитой интуицией, позволявшей ему безошибочно выбирать то, что наиболее существенно и чем в науке надлежит в первую очередь заниматься. Ньютон несомненно сознавал, что без качественного улучшения экспериментальной техники физический подход в атомистике (в отличие от химического) позволит получить лишь скудные и разрозненные обрывки знаний. К концу жизни он резюмировал свои взгляды в следующем отрывке из четвертого издания Оптики (Optics, 1730):

«При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятным, что Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их. Эти первоначальные частицы, являясь твердыми, несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются в куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал сам Бог при первом творении. Так как частицы продолжают оставаться целыми, они могут составлять тела той же природы и сложения на века. Если бы они изнашивались или разбивались на куски, то природа вещей, зависящая от них, изменялась бы. Вода и земля, составленные из старых изношенных частиц и их обломков, не имели бы той же природы и строения теперь, как вода и земля, составленные из целых частиц вначале. Поэтому природа их должна быть постоянной, изменения телесных вещей должны проявляться только в различных разделениях и новых сочетаниях частиц; сложные тела могут разбиваться не в середине твердых частиц, но там, где эти частицы расположены рядом и только касаются в немногих точках».

Многое здесь заимствовано из учения Лукреция, но есть одно важное отличие: если Лукреций и его предшественники объясняли сцепление между атомами крючками и другими особенностями внешней формы атомов, то Ньютон, следуя Гассенди, объясняет сцепление силами взаимного притяжения, аналогичными в общих чертах гравитации, но гораздо более интенсивными. Ньютон высказал также гипотезу о корпускулярной природе света. И хотя эти взгляды Ньютона полностью согласуются с современными представлениями, его аргументы по существу были ложными. Тем не менее интуиция, которая привела Ньютона к размышлениям о материи и свете как о взаимосвязанных сущностях и к осознанию того, что если одна из этих сущностей имеет корпускулярную природу, то и другая тоже должна состоять из корпускул, по праву может считаться примером высочайшего взлета научной интуиции. Связав воедино «атомы Демокрита и корпускулы света Ньютона», У.Блейк, отнюдь не бывший поклонником ньютоновской науки, проник в ее логику глубже, чем многие дружественно настроенные оппоненты.

Систематическое развитие точных знаний об атомах началось в химии и, можно сказать, с работы Р.Бойля (1627–1691) Скептический химик (Sceptical Chymist, 1661). Бойлю мы обязаны осознанием важной роли химических элементов, «некоторых первообразных и простых, или совершенно не смешанных, тел, которые не состоят ни из каких других тел или друг из друга, но служат ингредиентами, из которых состоит все, что принято называть идеально смешанными телами, и на которые эти тела могут быть разложены в конечном счете».

В работе Бойля впервые в истории химии была сформулирована программа – систематическая идентификация элементов и анализ соединений, и через полстолетия Дж.Дальтон (1766–1844) в Новой системе химической философии (A New System of Chemical Philosophy, 1808–1827) изложил общую атомистическую теорию химии, во многом соответствующую современным представлениям. В теории Дальтона считалось, что всякое чистое химическое соединение состоит из одинаковых молекул. (Как мы уже отмечали, эти молекулы до некоторой степени соответствуют атомам древнегреческих философов.) Каждая молекула состоит из атомов определенных химических элементов, но физические свойства соединений, как правило, имеют мало общего со свойствами составляющих их элементов. В работе Дальтона связь между традиционными представлениями об атоме и элементе была сформулирована явно.

Постепенное накопление химических знаний и усовершенствование техники эксперимента в 18 и 19 вв. привели к получению и исследованию многочисленных образцов, состоящих из самых различных атомов, известных ныне; но свойства атомов как индивидуальных объектов практически не были известны. Все, что можно было получить, сводилось к грубым оценкам масс и размеров атомов (первые – в интервале 10 –24 –10 –22 г, вторые – порядка 10 –8 см; первая хорошая оценка размеров молекул была получена в 1805 Т.Юнгом (1773–1829) на основе молекулярной теории капиллярного притяжения). Почти невообразимую малость этих размеров можно проиллюстрировать следующим примером. Если бы молекулы одного грамма воды можно было каким-нибудь способом пометить, а затем размешать во всей воде, имеющейся на земном шаре, то каждый грамм воды содержал бы несколько десятков меченых молекул.

Непостижимо малые величины и сугубо косвенные аргументы были способны убедить лишь тех, кто и без того был убежден в правильности атомно-молекулярной теории, и еще в 1900 такие выдающиеся консерваторы, как физик Э.Мах (1838–1916) и химик В.Оствальд (1853–1932), могли отрицать, что атомистическая гипотеза отвечает некоей реальной истине. Решающий аргумент пришел с совершенно неожиданной стороны, когда в 1905 молодой немецкий физик А.Эйнштейн (1879–1955) показал, что наблюдаемые количественные особенности лабораторного курьеза, известного под названием броуновского движения, могут быть полностью объяснены атомной теорией.

Броуновское движение наблюдается, когда взвешенный в воде или воздухе очень тонкий (мелкодисперсный) порошок (например, цветочная пыльца) рассматривается в микроскоп. Частицы порошка «пляшут», совершая хаотические движения, что объясняется столкновениями частиц с молекулами среды. Как показал Эйнштейн, в действительности картина не столь проста; даже микроскопическая частица порошка столь велика, что за секунду успевает претерпеть миллионы столкновений с молекулами среды, и наблюдаемая картина в действительности представляет собой статистические флуктуации усредненной силы, действующей на частицы при столкновениях с молекулами. Тем не менее явление в целом поддается теоретическому анализу. Было показано, что формулы Эйнштейна, выведенные на основе атомистической теории, полностью соответствуют действительности. Особая важность броуновского движения заключается в том, что оно представляет собой один из редких случаев, когда наблюдаемый мир пересекается с атомным миром и характерный атомный процесс становится непосредственно или почти непосредственно доступным органам чувств. Понадобилось много лет, чтобы открыть такое явление, но вскоре после того, как его возможность была осознана, были открыты другие сходные явления и сторонники атомистической теории получили целый ряд убедительных, прямых и согласующихся между собой доказательств правильности атомистической теории. Такие приборы, как сцинтилляционный детектор, счетчик Гейгера – Мюллера, камера Вильсона, разными способами решают проблему наблюдаемости явлений на уровне атомных масштабов.
См. также ХИМИЯ КОЛЛОИДНАЯ; ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ.

Следует также упомянуть об экспериментальных результатах спектрального анализа света. Было установлено, что если атомы газа бомбардировать быстро движущимися частицами, то они испускают свет определенной длины волны (явление, аналогичное возбуждению гармонических тонов в музыке, но гораздо более сложное). Определенность и неизменность строения спектров атомов говорит о том, что спектры должны отражать какое-то характерное поведение атомов при столкновениях. Детальная информация о спектрах дает возможность экспериментально проверить любую теорию строения атома, которая только может возникнуть.
См. также СПЕКТРОСКОПИЯ.

Проблемы интерпретации.

До 1911 не было выдвинуто ни одной логически последовательной, непротиворечивой теории строения атома. Но в 1911 Э.Резерфорд (1871–1937) провел в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета эксперименты, которые со всей определенностью показали, что атом в какой-то мере напоминает миниатюрную солнечную систему: его основная масса сосредоточена в положительно заряженном ядре, вокруг которого обращаются электроны, образуя облако очень малой массы. Не прошло и года, как Н.Бор (1885–1962), прибывший тогда из Дании к Резерфорду в качестве стажера, показал, как можно было бы модифицировать ньютоновскую механику, чтобы с приемлемой точностью количественно объяснить спектр водорода, простейшего из атомов.
См. также АТОМА СТРОЕНИЕ.

Согласно модели Резерфорда и Бора, атом водорода состоит из тяжелого положительно заряженного ядра (называемого протоном) и примерно в 1840 раз более легкого и отрицательно заряженного электрона, движущегося вокруг ядра по круговой или эллиптической орбите. И протон, и электрон рассматривались как почти не имеющие размеров, как материальные точки, удерживаемые вместе силой притяжения разноименных электрических зарядов. Примененная к такой системе ньютоновская механика утверждает, что при соответствующим образом выбранной начальной энергии атом может иметь любые размеры. Но атомы водорода имеют вполне определенные размеры – порядка 10 –8 см в диаметре. Бор ясно понимал, что законы Ньютона не могут объяснить устойчивости такой системы, как атом; действительно, из численных констант теории – масс и зарядов ядра и электрона – невозможно образовать величину, имеющую размерность длины как характерного размера атома. Но такую величину можно построить, если дополнить законы механики постоянной Планка h, которая входит в формулы, описывающие некоторые оптические явления в микроскопическом масштабе. Величины h, e и m_e имеют следующие значения и размерности:

Как показали вычисления, диаметр атома водорода равен:

что согласуется с экспериментом. Кроме того, была выведена формула для наблюдаемых в спектре водорода линий, тоже великолепно согласующаяся со всеми экспериментальными данными.

Идеи Бора позволили не только количественно подтвердить механику атома водорода, но и заложить первые ясные основы теории, исходя из фундаментальных физических принципов. При определенных дополнительных допущениях теория Бора позволила объяснить, по крайней мере в общих чертах, почему каждый элемент обладает характерными химическими и физическими свойствами.

К 1925 возникла весьма любопытная ситуация. Теория Бора была расширена и углублена, что позволило хотя бы качественно объяснить ряд атомных и радиационных явлений и принять во внимание различные модификации простейшей модели. Кроме того, включение в теорию крайне важного открытия, сделанного в 1925 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком (они показали, что, обращаясь вокруг ядра, электрон одновременно имеет собственный момент, позволило сделать первые шаги в понимании тех сложных изменений, которые претерпевает спектр атома в сильном магнитном поле. Вместе с тем 13 лет развития, начиная с 1911, не дали даже намека на решение некоторых казавшихся элементарными вопросов. Например, остались загадкой строение и спектр гелия, атом которого отличается от атома водорода лишь тем, что вокруг его ядра движутся два электрона. Кроме того, никто не мог привести более глубокого обоснования постулатов и правил Бора, если не считать констатации того, что они часто дают правильный ответ. Но в течение следующих двух лет после 1925 новые фундаментальные идеи позволили существенно прояснить ситуацию.

Эти идеи воплотились в теории, называемой ныне квантовой механикой. Подробнее с ней можно ознакомиться в статье КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА; мы же упомянем здесь лишь о том, что теория относительности показала неадекватность прежних интуитивных представлений о времени и пространстве, а квантовая механика убедительно продемонстрировала необходимость пересмотра распространенных представлений классической механики. Причиной пересмотра стал вывод, доминировавший на протяжении всей истории атомистических теорий: обычные человеческие органы чувств не дают надлежащей основы для понимания явлений, происходящих в микроскопических масштабах. Весь наш опыт познания механических явлений имеет дело с макроскопическими совокупностями атомов, в которых свойства отдельных атомов как таковые не проявляются, а потому не нужно удивляться, что такие понятия, как местоположение, движение и т.д., выведенные из обычного опыта (осмысленные в структуре ньютоновской механики), просто не подходят для обсуждения проблем атомных явлений. Новая теория, развитая независимо Л.де Бройлем (1923) и Э.Шрёдингером (1926), с одной стороны, и В.Гейзенбергом и М.Борном (1925) – с другой, и расширенная затем П.Дираком, В.Паули и многими другими учеными, по праву стала считаться шедевром теоретической физики нашего века, шедевром, по глубине мысли и широте своих далеко идущих следствий превосходящим даже теорию относительности. Внутренняя непротиворечивость квантовой механики и ее взаимосвязь с другими направлениями теоретической физики были основательно осмыслены Н.Бором. Эти проблемы занимали его до конца жизни.

Квантовая механика почти сразу же ответила на все вопросы старой теории Бора: было показано, что постулированные им правила с необходимостью следуют из новой теории; удалось разобраться в строении гелия и более сложных атомов; оказалось, что спин (собственный момент) частиц на удивление просто связан с ее соответствующей релятивистской формулировкой. Кроме того, по сути впервые стало возможным объяснить природу химических сил, т.е. причину, по которой два или более атомов оказываются тесно связанными (образуя молекулу, обладающую свойствами, отличными от свойств любого из образующих ее атомов). Разумеется, это не означает, будто в указанной области не осталось нерешенных вопросов, ибо новые законы не могут объяснить сами себя; их объяснение – дело будущей теории.

Теория де Бройля началась с загадки двойственной природы света. Если одни многочисленные эксперименты, проводимые с 1800, убедительно доказали, что свет распространяется в пространстве в виде волн, то другие, выполненные более чем сто лет спустя, столь же убедительно продемонстрировали, что в некоторых ситуациях луч света ведет себя как пучок частиц. Точное соответствие между волновыми и корпускулярными свойствами пучка света было установлено в работах А.Эйнштейна, А.Комптона и других ученых, показавших, что световая волна с частотой n и длиной волны l взаимодействует с веществом так, как если бы свет состоял из частиц (называемых фотонами, или квантами) с энергией

где h – постоянная Планка. Известно, что величины n и l для света связаны между собой соотношением

где с – скорость света; из равенства (3) следует [если (1) разделить на (2) и подставить полученное выражение для nl в (3)], что

Таким образом, это соотношение между энергией и импульсом, уже известное из теории электромагнитного излучения Максвелла и применимое к пучку света, рассматриваемому как целое, с самого начала включено в теорию отдельных квантов.
См. также СВЕТ.

Де Бройль усмотрел в двойственной природе света возможность объединить физические представления о свете и веществе. Вещество, в конечном счете, состоит из частиц. Но если свет тоже проявляет себя как частицы, то нельзя ли предположить, что при определенных обстоятельствах и вещество должно вести себя как волны? Отталкиваясь от релятивистского аргумента, который мы не будем здесь воспроизводить, де Бройль решил сохранить соотношения (1) и (2), заменив, однако, для свободных частиц формулу (4) соотношением между кинетической энергией и импульсом для частиц с массой m:

Новое соотношение между частотой и длиной волны имеет вид

В заключение своей первой статьи де Бройль высказал предположение, что если его гипотеза верна, то соответствующие эксперименты должны обнаружить волновые явления интерференции и дифракции для вещества, аналогичные таким же явлениям для света.

Теория де Бройля сразу же указала на физическую подоплеку постулата Бора о моменте импульса. Предположим, что электрон движется вокруг ядра по орбите, на которой укладывается ровно n полных длин волн (рис. 1). Если орбита имеет форму окружности радиусом а, то это означает, что

Преобразуя последнее соотношение, приведем его к виду

Величина, стоящая в левой части равенства (7), есть не что иное, как орбитальный момент импульса электрона; следовательно, равенство (7) – математическое выражение гипотезы Бора.

Экспериментально гипотеза де Бройля была проверена в опытах (1927) Дж.П.Томсона в Англии и К.Дэвиссона и Л.Джермера в США. В этих экспериментах пучок электронов дифрагировал на кристаллическом веществе, что позволило непосредственно измерить длину волны электрона как функцию его импульса и тем самым проверить соотношение p = h/l. В следующие несколько лет были проведены другие эксперименты, показавшие, что волновыми свойствами обладают не только электроны, но и нейтроны и даже целые атомы. В результате блестящая догадка де Бройля получила убедительное, более чем достаточное подтверждение.

Современная точка зрения.

У работы де Бройля, несмотря на ее достоинства, был один весьма серьезный недостаток. Традиционные теории света и вещества имели значительный успех потому, что в их основе лежали уравнения движения – особые системы дифференциальных уравнений, с помощью которых по состоянию в данный момент можно определить ее будущее состояние. Простые правила де Бройля не ведут непосредственно к таким уравнениям, равно как и умалчивают о том, какого рода волна обладает свойствами, определяемыми соотношениями (1) и (6). Уравнения движения были выведены почти одновременно Шрёдингером, работавшим над обобщением теории де Бройля, и Гейзенбергом, который совершенно независимо пытался придать всей квантовой механике более абстрактную форму, чтобы можно было сохранить существенные элементы и опустить все необоснованные экстраполяции нашего повседневного опыта в мир микроскопических явлений. Теории Гейзенберга и Шрёдингера, внешне очень различные, оказались лишь разными математическими способами выражения одних и тех же законов, дав возможность написать уравнения движения, из которых затем было выведено количественное подтверждение многих известных атомных явлений.

Гипотеза Борна при всей ее простоте и, казалось бы, правильности поставила, однако, больше вопросов, чем помогла решить. Дело в том, что если теория не может дать определенного ответа, а вынуждена в некоторых случаях ограничиться указанием вероятности события, то создается впечатление, что она в каком-то смысле является всего лишь приближением к некоторой более фундаментальной теории, позволяющей делать точные предсказания. Но разве главная задача теоретической физики не заключается в создании такой теории?

В 1927 Гейзенберг дал совершенно неожиданный ответ на такую критику квантовой теории. Путем простых рассуждений, основанных на анализе некоторых особых экспериментальных ситуаций, он показал, что точные измерения не всегда возможны даже в принципе и что эта существенная неизбежная неопределенность точнейшим образом отражается в вероятностной структуре квантовой механики. Лучше понять, в чем здесь дело, позволяет конкретный пример, впервые приведенный Бором. Согласно квантовой механике, при одновременном указании положения и импульса частицы существует некоторая неопределенность, выражаемая формулой

где Dр и Dх – неопределенности в импульсе р частицы и ее координате х, измеряемой в направлении движения. Бор проделал мысленный эксперимент по определению величин х и р с помощью микроскопа. Хорошо известно, что изображение в микроскопе неизбежно в какой-то мере расплывчато из-за дифракции света в линзах, а это приводит к неопределенности Dх в измеренном положении частицы. Однако эту неопределенность можно уменьшить, если использовать свет с меньшей длиной волны, поскольку тогда изображение становится более четким. Но возникает новая трудность: в силу соотношения (2) у кванта света с меньшей длиной волны больше импульс, и даже если измерению подлежит только один квант, сталкивающийся с частицей, то это столкновение вносит существенную неопределенность в импульс, коль скоро положение точно измерено. Вычисляя неопределенности, нетрудно убедиться в том, что они удовлетворяют неравенству (8), и, таким образом, чем точнее выполняется измерение одной величины, тем бóльшая неопределенность вносится в данные о другой.

Подкрепленное многими другими аналогичными рассуждениями, подтвержденное опытом и не имеющее ни одного «контрпримера», соотношение неопределенностей Гейзенберга представляет собой закон природы, который существует совершенно независимо от теории, способствовавшей его открытию.

Взгляды Гейзенберга и Бора на природу физического мира, открывшуюся в законах квантовой механики, привели к согласованной картине взаимоотношений теории и эксперимента, или, кратко говоря, физического содержания квантовой теории. Квантовая механика представляется теперь вполне корректной теорией, по крайней мере в круге явлений, к которым она должна применяться. Она выражена в весьма совершенной форме и сомнительно, чтобы ее самосогласованность была нарушена. Современная атомная теория революционизировала химические исследования, поскольку дала точную количественную интерпретацию по крайней мере наиболее простых химических фактов. Квантовая механика позволила также многое понять в биологических и даже генетических явлениях.

Квантовая механика заменяет атомную модель Резерфорда и Бора другой, на первый взгляд совершенно иной моделью, поскольку в нее существенным образом входит элемент вероятности. И действительно, квантовая механика (хотя она начинается с определенных и не содержащих никаких неоднозначностей уравнений) дает возможность вычислить относительную вероятность нахождения электрона в заданной точке пространства и с заданной скоростью или, точнее, в заданной малой области пространства со скоростью, лежащей в некотором диапазоне скоростей. В соответствии с теорией Бора и экспериментом электрон в атоме водорода в его основном состоянии с наибольшей вероятностью находится на расстоянии 10 –8 см от ядра, однако согласно квантовой механике и в отличие от теории Бора распределение вероятности его положения сферически симметрично в пространстве. В то же время имеется конечная вероятность обнаружить электрон вдали от ядра. Например, электрон может оказаться в километре от ядра, но вероятность найти его в малой области на таком расстоянии примерно в 10 1013 раз меньше, чем в такой же области с центром в ядре. На рис. 2,а показано распределение вероятности для электрона в атоме водорода, причем величина вероятности характеризуется плотностью ретуши на разрезе.

Допустим теперь, что в результате столкновения атому передается энергия. Электрон после столкновения будет двигаться по более удаленной от ядра орбите, и его пространственное вероятностное распределение изменится. Электрон может оказаться в различных возбужденных состояниях; он переходит в них, поглощая энергию. Через короткое время атом испустит квант света, электрон снова перейдет в основное состояние, и распределение вероятности примет прежний вид. Распределения на рис. 2,а и б характеризуются как бы «случайным» движением электрона, тогда как распределение, представленное на рис. 2,в, предполагает его движение по часовой стрелке, соответствующее орбитальному движению электрона в модели Бора. Изобразить столь же наглядно распределение вероятности в двухэлектронной системе невозможно, т.к. положения электронов статистически коррелированы (из-за взаимного отталкивания совместная вероятность нахождения электронов по разные стороны ядра больше, чем по одну и ту же его сторону); чтобы изобразить такое распределение, потребовалось бы каким-то образом построить шестимерное изображение – по три измерения на каждую частицу.

Сравнивая рис. 2 с боровскими эллиптическими орбитами, на первый взгляд не так-то просто усмотреть какую-либо связь между этими двумя моделями; поэтому трудно понять, почему теория Бора вообще имеет какое-то отношение к действительности. В определенном смысле она и в самом деле не адекватна действительности, чем и объясняется, что она иногда дает явно неверные ответы на некоторые вопросы. В то же время распределение вероятности на рис. 2,в обладает вполне узнаваемым сходством с боровской орбитой, а математический анализ динамики двух моделей обнаруживает глубокое соответствие между ними в некоторых важных пунктах. Например, было установлено, что движение, иллюстрируемое на рис. 2, соответствует вполне определенным, а не случайно распределенным значениям момента импульса. Эти значения даются соотношением (7) Бора – де Бройля с тем изменением, что теперь n может принимать нулевое значение. На рис. 2,а изображено состояние, которое вообще не обладает моментом импульса. Это совершенно невозможно ни в картине Резерфорда – Бора (поскольку электрон в таком случае должен был бы упасть на ядро), ни в картине де Бройля, поскольку тогда вообще не было бы никакой волны. Значения энергии для рассматриваемых случае также совершенно определенные и совпадают с теми, которые дают теория Бора и (с небольшими поправками, учитывающими слабые эффекты) эксперимент. Вследствие такого динамического соответствия между теорией Бора и квантовой теорией терминология, а отчасти даже мысленная картина, отвечающие модели Бора, по сей день в ходу у физиков, хотя для расчета атомных свойств и процессов, как правило, необходима квантовая механика.

Под «атомной теорией» часто понимают вычисления тех атомных и молекулярных характеристик, которые определяются электронами, движущимися вокруг тяжелых ядер. Дело в том, что благодаря хорошей экранировке ядра слоями электронов почти все его свойства практически не сказываются на поведении атома и их можно изучить отдельно. В этом смысле термин «атомная бомба» следует признать неудачным. Здесь уместнее было бы говорить о ядерной бомбе. При указанном же выше понимании термина «атомный» можно сказать, что перед современной атомной теорией стоят проблемы и трудности преимущественно вычислительного характера. Эта теория говорит нам, какие уравнения необходимо решить, но при анализе структуры сложного атома эти уравнения становятся столь сложными, что для их решения приходится прибегать к помощи компьютеров.

Наконец, стоит бросить ретроспективный взгляд на ранние атомистические учения с тем, чтобы посмотреть, какие из основных идей этих учений выжили. Роль атомов в учении Демокрита сейчас играют молекулы, т.е. устойчивые группы атомов, являющиеся мельчайшими частицами химических соединений. В этом смысле, как и утверждал Демокрит, все материальные вещества состоят из атомов. Демокрит умалчивал, почему атомы и молекулы обладают той формой и теми свойствами, которые им присущи. Но он ничего не знал о механике, науке, которая говорит, как движутся тела под действием сил. Он и представить себе не мог дифференциальные уравнения, решениями которых определяются свойства атомов и молекул, но, даже бросив беглый взгляд на рис. 2, можно понять, что эти решения, наглядно представленные на рисунке для простейшего случая, в действительности не что иное, как геометрические формы. Следовательно, атом и молекула «оказываются» не частицами вещества, а решениями уравнений, и догадка Платона представляется вполне оправданной, но как предвосхищение физики 20 в., а не окончательной теории строения материи (ибо кто может поручиться, что такая теория когда-нибудь будет построена).

Находит свой отзвук в современной теории атома и индийское учение о первичности человеческого сознания и вторичности материального мира. Мы уже упоминали о том, что квантовая механика – теория существенным образом не детерминистская, а вероятностная. Можно дать абстрактное и вполне строгое математическое определение вероятности, но на практике в этом нет необходимости. Вероятность выигрыша на ипподроме во многом зависит от того, что вы видите в ходе заезда и какой информацией располагаете. Любое имеющее практическую ценность утверждение о вероятности относится к миру, каким его знает некое лицо или некая группа лиц. Наиболее важные и типичные заключения атомной теории имеют вид утверждений не о том, каков есть мир, а о том, каким он представится наблюдателю, располагающему определенными средствами наблюдения и определенной суммой ранее накопленных знаний. Современные физики и философы не думают, что квантовая механика – окончательная форма физической теории; ведется немало споров о том, как лучше перевести ее математические выражения в непротиворечивую картину мира, но все же трудно поверить, что резкое разграничение между внутренним и внешним, между «я» и «другим» с предельной ясностью выраженное Р.Декартом, но почти с самого начала присущее западной философии, сохранится в физике на самом фундаментальном ее уровне.

Источник