Исследования законов излучения дали очень ценную информацию о внутреннем строении атома и привели к созданию различных его моделей. Но чтобы сделать правильный выбор между этими моделями, требовались и другие экспериментальные методы, которые стали возможны только в начале нынешнего столетия.
Модели атома
Концепция атома возникла впервые в древней Греции. Демокрит и другие древнегреческие философы высказывали мысль, что все тела в окружающем нас мире состоят из мельчайших частиц, которые далее не могут делиться и являются основными «кирпичиками» вещества. Отсюда и название «атом», что значит по-гречески «неделимый».
Наука открыла атом лишь в начале XIX в. Первая современная теория о том, что вещество состоит из ограниченного числа частиц, была создана в 1803 г. английским ученым Джоном Дальтоном. Так, вслед за философами атомом занялись химики. Прошло еще 100 лет, прежде чем физики смогли показать, что эта «неделимая» частица представляет собой довольно-таки сложную систему, таящую в себе немало загадок природы. Исследования ряда ученых в конце XIX и начале XX вв. показали, что электричество и свет имеют дискретный характер, т. е. состоят из частиц. Эти представления легли в основу различных моделей атома, которые все более точно воссоздавали его подлинную структуру.
М.В. Ломоносов еще в середине XVIII в. считал, что окружающий нас мир состоит из весомой материи и эфира. «Все тела, — утверждал Ломоносов, — состоят из “корпускулов” (молекул), содержащих “элементы” (атомы, — Прим. ред.)
Прежде всего в 1903 г. Дж. Дж. Томсон предложил свою модель атома в виде «пудинга с изюмом», согласно которой атом представляет собой положительно заряженной сферу с вкрапленными в нее электронами. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду сферы, поэтому в целом атом электрически нейтрален. Модель атома Томсона в какой-то степени позволяла объяснить процессы излучения, рассеяния и поглощения света, и в течение ряда лет она была весьма популярна. Это пример того, как модель, не имеющая ничего общего с действительностью, тем не менее «работает» — дает возможность объяснить некоторые реально наблюдаемые явления.
Примерно в то же время французский ученый Жан Батист Перрен предложил планетарную модель атома. В этой модели наблюдаемые свойства атомов объяснялись орбитальным движением электронов. Подобную модель предложил в 1904 г. и японский физик Хантаро Нагаока. Это так называемая «модель Сатурна», в которой электроны образуют кольцо, вращающееся вокруг центрального положительно заряженного ядра, подобно тому как кольца обращаются вокруг планеты Сатурн. Эти первые модели атома были весьма умозрительными и не «продержались» долго. Только после появления новых экспериментальных данных стало возможным установить подлинную структуру атома.
В 1906 г. английский ученый Эрнест Резерфорд исследовал взаимодействие между альфа-частицами и веществом. С этой целью проводились опыты, в которых тонкие пластинки из золота и других металлов «обстреливались» альфа-частицами. Эксперименты были поручены новозеландскому физику Эрнесту Марсдену, работавшему у Резерфорда в Манчестерском университете. В 1909 г. Марсден вместе с Хансом Гейгером (другим ассистентом Резерфорда) обнаружил, что изредка (примерно в одном случае из 8000) альфа-частицы рассеивались при соударении с мишенью на очень большой угол, словно сталкивались с массивной преградой. Результаты были настолько неожиданными, что Марсден долго не решался сообщить о них Резерфорду, считая, что здесь скрыта какая-то ошибка. Резерфорд действительно был очень удивлен и потом часто вспоминал, что это выглядело столь же невероятным, как если бы летящий снаряд отскочил от листа бумаги.
К 1911 г. было накоплено уже достаточно подобных экспериментальных данных, что позволило Резерфорду предложить его хорошо известную «планетарную модель» атома, основанную уже на прямых результатах наблюдений. Впервые были сделаны оценки размеров атома и находящегося в центре его небольшого положительно заряженного ядра, на котором, собственно, и рассеивались столь сильно альфа-частицы. Модель атома Резерфорда была такова: вокруг ядра, размером примерно в 100 тысяч раз меньше самого атома, вращаются, как планеты вокруг Солнца, отрицательно заряженные электроны. Но «планетарная модель» Резерфорда также объясняла далеко не все, потому что она основывалась на представлениях классической физики. Согласно последним представлениям, вращающийся электрон должен был бы непрерывно излучать энергию и, довольно быстро израсходовав ее, упасть на ядро. Модель Резерфорда находилась лишь в одном шаге от истины — и этот шар был сделан датским физиком Нильсом Бором.
В 1913 г. Бор, объединив идеи квантования энергии, выдвинутые Планком и Эйнштейном, с моделью атома Резерфорда, выдвинул гипотезу, что электроны движутся вокруг ядра только по таким орбитам, на которых они не излучают и не поглощают энергию. Далее, он показал, что излучение и поглощение происходят только квантами в момент перехода электрона с одной орбиты на другую. Теория Бора позволяла легко вывести постоянную Ридберга и успешно объясняла другие результаты, полученные в экспериментальной спектроскопии. Уже на следующий год были проведены спектральные измерения в ультрафиолетовой области, которые подтвердили справедливость новой модели атома.
Модель Бора была первой квантовой моделью атома. Она положила начало новой эпохи в развитии атомной теории, объединив в себе результаты, полученные при исследованиях радиоактивности, оптических и электромагнитных явлений. Новая модель атома сразу же обнаружила свою плодотворность в спектроскопии и теории химической связи. Она ознаменовала собой отход от классических представлений и начало широкого внедрения квантовых идей в современную науку. За создание квантовой теории атома Нильс Бор был удостоен в 1922 г. Нобелевской премии по физике.
Кванты в действии
В период 1913—1917 гг. был проведен ряд экспериментов, подтверждающих гипотезу Макса Планка о квантовании энергии и квантовую модель атома Нильса Бора. Они были осуществлены немецкими физиками Джеймсом Франком и Густавом Герцем.
Эти ученые исследовали взаимодействие электронов с атомами, в частности происходящее при столкновении движущегося с определенной скоростью электрона с атомом вещества. В экспериментальной установке Франка и Герца пучок электронов проходил через газ. Газ начинал светиться, испуская свет определенной длины волны. Эксперимент позволял проводить точное измерение скорости электронов, а следовательно, и их энергии. Исследуя количественные результаты, ученые показали, что, для того чтобы вызвать излучение атома при столкновении, электрон должен обладать определенной минимальной энергией. Они определили, что эта энергия равна произведению постоянной Планка на частоту светового излучения. Определение этой постоянной новым и независимым способом явилось еще одним доказательством дискретности уровней энергии атомов и подтвердило теорию атома Бора. За это открытие Густав Герц и Джеймс Франк были удостоены в 1925 г. Нобелевской премии по физике.
Исследование излучения абсолютно черного тела привело Планка к идее квантования. Теория фотоэффекта, предложенная Эйнштейном, углубила это представление, показав, что квантами в сущности являются фотоны (частицы света). Фотоны проявляют, себя при различных эффектах, один из которых был открыт американским физиком Артуром Холли Комптоном в 1923 г.
При фотоэффекте фотон взаимодействует с электроном вещества, отдавая ему свою энергию, что приводит к высвобождению электрона из атома. При эффекте Комптона фотон взаимодействует со свободным или слабосвязанным электроном, передавая ему только часть своей энергии. В, результате, такого взаимодействия происходит перераспределение энергии между фотоном и электроном, что изменяет траекторию частиц. Эффект Комптона наблюдается тогда, когда энергия фотона достаточно велика по сравнению с энергией электрона в атоме, так как в этом случае электрон может считаться свободной частицей. Столь высокой энергией обладают фотоны рентгеновского излучения. В своих опытах Комптон установил, что при взаимодействии рентгеновского излучения с веществом происходит упругое рассеяние его на свободных электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны (эффект Комптона), и построил теорию этого явления.
Открытие Комптона стало новым убедительным доказательством реальности квантов. За это достижение он стал в 1927 г. одним из лауреатов Нобелевской премии по физике.
В то время как фотоэффект и эффект Комптона — это явления, наблюдаемые лишь в специальных условиях, так называемое комбинационное рассеяние света встречается значительно чаще. В 1928 г. индийские физики Чандрасекхара Венката Раман и Кариаманиккам Кришнан из Калькуттского университета исследовали спектральный состав света после прохождения его через различные жидкости. Они установили, что наряду с основными спектральными линиями наблюдаются и новые линии, смещенные в красную и синюю стороны. Независимо от индийских ученых и даже несколько раньше их аналогичные исследования провели с кристаллами советские физики Л.И. Мандельштам и Г.С. Ландсберг. Советские ученые опубликовали свои результаты после продолжительных экспериментов, тогда как Раман сразу же послал короткое сообщение в английский журнал Nature. Это обеспечило ему приоритет, и сегодня комбинационное рассеяние света часто называют «эффектом Рамана».
