Атомы совсем крошечные, очень и очень маленькие. Вы наверняка знаете, что материя состоит из них, но вы никогда их не видели и не увидите, потому что атом невозможно разглядеть невооруженным (и даже иногда хорошо вооруженным) глазом. Стоит ли принимать на слово то, что все в нашем мире построено из этих крошечных «кирпичиков»?
Стоит. Даже самые скептически настроенные люди не смогут усомниться в существующих доказательствах. Так как же ученые открыли для науки атомы? И, что гораздо важнее, как они смогли доказать существование этих крошечных частиц?
В чем сложность?
Казалось бы, что проще, чем рассмотреть атомы в микроскоп. Но не все так элементарно, как сами частицы. Даже самый мощный микроскоп не в состоянии различить отдельный атом. Все потому, что размер атома гораздо меньше размера световой волны, и свет просто не может отражаться от крохотных частиц, тем самым превращая их в невидимые даже вооруженному глазу.
История открытия
Еще в конце XVIII века ученые стали замечать необъяснимое явление – ничем не обусловленное движение мелких частиц, например мельчайшей пыли над поверхностью воды. В середине XIX века шотландский ботаник Роберт Броун провел ряд экспериментов, в ходе которых он наблюдал движение мельчайших частиц каменной пыли. Через десятки лет частная теория относительности Эйнштейна путем математической формулы объяснила то, что в физике до тех пор называлось «броуновское движение».
К 1908 году все эксперименты, наблюдения и математические расчеты сводились к тому, что атомы реальны, и именно из них состоит любая окружающая нас материя. Однако не прошло и десятилетия, как наука ступила еще дальше и заставила ученых задуматься над тем, из чего же состоят сами атомы.
Структура атома
То, что атом не является единым целым, может показаться неожиданностью, особенно учитывая происхождение термина, который с греческого языка переводится как «неделимый». Однако физике давно известен факт сравнительно сложной и изменчивой структуры атомов. Проще всего сравнить строение «элементарных» частиц с солнечной системой.
Обычный атом составляют три компонента: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны образуют своеобразное «ядро» атома, поэтому в физике их часто называют нуклонами. Электроны же кружат вокруг ядра, как планеты вокруг солнца. Так же как солнце составляет 99,9% массы солнечной системы, так и атомное ядро практически полностью занимает массу атома.
Электрон
Если атомы невероятно малы, то их составляющие частицы еще меньше. Удивительно, что первым из трех элементов атомной структуры был обнаружен самый маленький по размеру – электрон. Для того чтобы понять, насколько электрон меньше атомного ядра, легче всего представить себе шмеля, летающего вокруг воздушного шара. Так каким же образом такие невообразимо малые частицы материи были обнаружены? Все дело в том, что несмотря на размер, электроны обладают огромной энергией, достаточной для создания видимых световых излучений.
Именно благодаря этим излучениям их впервые обнаружил британский физик Джозеф Джон Томсон, который создал своеобразный прототип ускорителя элементарных частиц. В изогнутую стеклянную трубку, в которой предварительно был создан вакуум, Томсон с одного края пустил отрицательный заряд тока. В результате заряда электроны, которые сами по себе обладают отрицательным зарядом, смогли отделиться от ядра и направиться к противоположному краю трубки. При столкновении с поверхностью стекла отрицательно заряженные частицы создали удивительное желто-зеленое сияние.
Протон
Открытие электрона заставило ученых задуматься над тем, что атом не так прост, как кажется. Большинство атомов обладают нейтральным зарядом, и чтобы удержать в своей структуре отрицательно заряженные частицы, им нужен положительный заряд. Так, в фокус ученых попал нуклеус, или атомное ядро. В начале XX века было проведено несколько экспериментов, в результате которых ученые доказали существование протонов и, кроме этого, строение атома, напоминающее структуру солнечной системы.
Британский физик Эрнест Резерфорд провел эксперимент по рассеиванию частиц через тонкую золотую фольгу. Сам ученый признался, что не ожидал многого от эксперимента. Он направил на фольгу поток радиоактивных альфа-лучей, то есть радиацию с положительным зарядом. Большая часть радиации прошла прямо сквозь фольгу, но некоторые частицы отталкивались от золотой поверхности под достаточно большими углами, что указывало на положительно заряженные частицы внутри атомов. Причем частицы эти – достаточно большие и очень плотные, что позволило Резерфорду первым создать планетарную модель строения атома.
Нейтрон
Казалось бы, и строение и поведение атомов были подробно изучены и изложены в многочисленных трудах, но у науки возникла очередная проблема. Как только ученые смогли измерить атомную массу, появился вопрос: почему масса ядра в два раза больше, чем должны весить положительно заряженные протоны? С самого начала ученые предполагали наличие равного по количеству и массе числа нуклонов, не имеющих электрического заряда. Их даже заведомо назвали нейтронами, но никто не мог доказать их существование.
Ученый-физик из Кембриджского университета Джеймс Чедвик совершил прорыв в области ядерной физики, когда не поверил в то, что атомы бериллия излучают гамма-радиацию. На тот момент, гамма-лучи были еще очень свежим открытием, однако Чедвик не поверил большинству ученых и решил провести собственный эксперимент в 1932 году.
Он направил «радиацию», излучаемую бериллием, на материю, богатую протонами. Протоны были вытолкнуты, словно бильярдные шары; так, будто их отодвинули частицы с такой же массой. Такую реакцию невозможно объяснить гамма-радиацией, поэтому частицы были признаны нейтронами. Таким образом, все основные частицы атома были найдены, однако история его изучения на этом не заканчивается.
