Об атомах и электронах

До конца XIX в. в науке господствовало убеждение, что все физические тела состоят из очень маленьких частиц – молекул, невидимых глазу, но доступных наблюдению в мощный микроскоп. Однако сами молекулы состоят из ещё более мелких частиц – атомов. Например, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух водорода. Атомы, считалось в науке прошлых столетий, – последний предел делимости вещества. Они представляют собой простейшие, мельчайшие и неделимые частицы, которые лежат в основе любого физического тела. Кроме того, если они неделимы, значит, постоянны и неизменны. Само вещество может меняться или превращаться как угодно, благодаря всевозможным атомным взаимодействиям. Сами же атомы пребывают всегда в одном и том же состоянии. Будучи неделимой вечной мировой основой, они не могут распадаться на части, рождаться, исчезать, переходить в другие формы и так далее. Вспомним, что слово «атом» было впервые употреблено древним философом Демокритом. Его идеи об атомах как последнем пределе вещества с небольшими изменениями существовали более двух тысяч лет. Они легли в основу механицизма классического естествознания, были в нём развиты и продолжены. В XIX в. эти представления доживали последние дни. Открытия в физике, сделанные на рубеже прошлого и нынешнего столетий, разрушили многовековые представления об атомах, произвели настоящую революцию в науке.

В самом конце XIX в. английский физик Джон Томсон открыл существование в атоме отрицательно заряженных частиц, которые получили название электроны. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение, что помимо электронов в нём существуют также положительно заряженные частицы. Опыты английского физика Эрнеста Резерфорда привели его к выводу о том, что в любом атоме существует ядро – положительно заряженная частица, размер которой (10-12 см, или одна стомиллиардная часть миллиметра) очень мал по сравнению с размерами всего атома (10-8 см, или одна десятимиллионная часть миллиметра). Ядро меньше атома в 10000 раз, но в нём почти полностью сосредоточена вся атомная масса. Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут самопроизвольно превращаться в атомы других в результате ядерных излучений. Это явление, впервые открытое французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, получило название радиоактивность (от лат. radiare – испускать лучи и activus – деятельный).

Эти открытия убедительно показали, что атомы – не простейшие, неделимые и неизменные частицы вещества, а сложные, делимые и способные к превращению микрообъекты, имеющие определённое устройство.

Одним из первых попытался выяснить строение атома Эрнест Резерфорд. Поскольку атом вследствие своих малых размеров недоступен никакому непосредственному наблюдению (даже с помощью сложнейших приборов), то о его устройстве можно говорить только умозрительно, на свой страх и риск нарисовать его строение. Умозрительная картина или модель атома, описывающая его структуру (строение), предложенная Резерфордом, получила название планетарная. Нам хорошо известно, что наша Солнечная система состоит из огромного центра – Солнца и вращающихся на разных расстояниях вокруг него девяти планет, одной из которых является Земля. Причём размеры и масса каждой планеты ничтожно малы по сравнению с размером и массой Солнца, то есть почти всё вещество Солнечной системы сосредоточено в нём. Между Солнцем и планетами действуют силы тяготения (взаимного притяжения), обеспечивающие равномерное и стройное движение планет вокруг общего центра.

Резерфорд предположил, что строение атома сходно с устройством Солнечной системы: в центре его находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы: положительный заряд атомного ядра уравновешивается суммой зарядов электронов, и поэтому атом электрически нейтрален. У Резерфорда получилось, что каждый атом – это целый сложно устроенный мир, только очень малых размеров. По этому поводу Валерий Брюсов писал:

Быть может, эти электроны —

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Ещё, быть может, каждый атом —

Вселенная, где сто планет;

Там всё, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то – чего здесь нет.

Их меры малы, но всё та же

Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже

Там та же мировая спесь.

Модель атома Резерфорда очень наглядно описывала его строение. Однако впоследствии она столкнулась со множеством противоречий, и стало понятно, что она не совсем подходит для объяснения атомного устройства. Вспомним теорию относительности Эйнштейна, согласно которой при значительном изменении масштабов (увеличении или уменьшении) изучаемых нами объектов принципы и законы, действующие в одних условиях, могут совершенно не действовать в других, правила одних областей реальности могут полностью противоречить правилам других. Если атом – столь малая величина, то почему бы не предположить, что для него существуют совершенно иные правила и законы, чем для нашего видимого макромира, что микромир строится абсолютно по другим принципам и все наши макропредставления бессильны что-либо описать или объяснить в микрообластях.

Резерфордова модель атома, просто и наглядно говорившая о его устройстве, была родом из макромира, ведь она сравнивала его с Солнечной системой, использовала понятия ядра, центра, движущихся частиц-электронов, орбит движения (а это все макропонятия или макропредставления). Видимо, об атоме надо было говорить как-то иначе, неким другим, специфическим языком.

Новую модель атома построил известный датский физик Нильс Бор. По его представлениям, электрон – это не столько точка или твёрдый шарик, движущийся вокруг атомного ядра, сколько некий сгусток энергии, как бы размазанный вокруг ядра, но не равномерно, а с большей или меньшей плотностью на разных участках. Кроме того, надо говорить не об орбите движения электрона, а о его стационарном (неизменном) состоянии, в котором он может находиться, не излучая энергии. Если же это положение меняется, то есть электрон как бы переходит из одного стационарного состояния в другое, то он излучает или поглощает порцию энергии.

Как видим, модель, предложенная Бором, была более сложной и менее понятной, чем Резерфордова, но и она не смогла с успехом объяснить атомное строение, потому что во многом использовала макроязык и макропонятия. Выяснилось, что процессы, происходящие в атоме, в принципе невозможно представить в виде какой-либо механической модели по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений.

Отказавшись полностью от понятного естественного языка и наглядных моделей при изучении микромира, наука всё более стала пользоваться абстрактным языком математики. Атом усилиями физиков-теоретиков постепенно превращался в ненаблюдаемый набор уравнений.

(Д. А. Гусев, "Любители мудрости. Что должен знать современный человек об истории философской мысли")