Атомная теория - один из краеугольных камней современного естествознания. Чтобы понять устройство мира, необходимо разгадать тайны микромира. Одну из первых научно обоснованных моделей атома предложил в 1904 году выдающийся английский физик Джозеф Джон Томсон. Его "пудинговая" модель положила начало целой череде революционных открытий в области физики элементарных частиц.
Предпосылки создания модели атома Томсона
В 1897 году Томсон открыл электрон - элементарную частицу с отрицательным зарядом. Ученый предположил, что электроны являются составной частью атомов. В то же время было известно, что атом в целом электрически нейтрален. Чтобы объяснить эти факты, Томсон решил построить модель атома, включающую электроны и источник положительного заряда для их компенсации.
Основная идея модели Томсона
Согласно модели Томсона, атом состоит из отрицательно заряженных электронов, "вмороженных" в положительно заряженное вещество неизвестной природы. Эта идея напоминала физикам английский десерт - пудинг с изюмом . Отсюда и название - "пудинговая модель атома".
Было предложено несколько вариантов расположения электронов:
- равномерно по всему объему атома;
- сгруппированными по кольцам или сферам.
Принцип работы модели Томсона
В "пудинговой" модели электроны удерживались внутри атома электростатическими силами. При отклонении электрона от центра его притягивало обратно большее количество положительно заряженного вещества внутри орбиты. Так стабилизировались кольца или сферы с электронами.
Данная модель также пыталась объяснить линейчатые спектры элементов. Согласно Томсону, они возникали из-за переходов электронов между разными устойчивыми орбитами.
Публикация модели Томсона в 1904 году
В марте 1904 года Томсон опубликовал статью с описанием своей модели атома в авторитетном британском журнале Philosophical Magazine . В ней он отказался от своей более ранней "туманной" теории, связывавшей атомы с эфирными вихрями.
Я предполагаю, что существование таких корпускул в атоме вполне возможно, и что такой взгляд объясняет большинство известных свойств атомов.
Дж. Дж. Томсон, 1904 г.
Достоинства и недостатки модели Томсона
Модель Томсона объясняла ряд экспериментальных фактов, известных в начале XX века:
- наличие электронов в атоме;
- отсутствие электрического заряда у атома в целом.
В то же время она не смогла полностью описать атомные спектры элементов. Тем не менее "пудинговая" модель атома Томсона сыграла важную роль в становлении квантовых представлений, заложив основы для последующих теорий Резерфорда и Бора.
Опровержение модели Томсона
В 1911 году Эрнест Резерфорд поставил эксперимент по рассеянию α-частиц на тонкой золотой фольге. Он обнаружил, что некоторые частицы испытывают сильное отклонение назад под большими углами. Этот факт опроверг "пудинговую" модель атома Томсона.
Согласно Резерфорду, чтобы вызвать такое рассеяние, в атоме должно присутствовать массивное положительно заряженное ядро. Вокруг него вращаются электроны - так появилась планетарная модель атома . Представления Томсона о диффузном распределении заряда были опровергнуты.
Заряд атомного ядра
Сразу после работы Резерфорда голландский физик Антониус ван ден Брук высказал идею, что заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в Периодической системе Менделеева. В 1913 году англичанин Генри Мозли экспериментально подтвердил это предположение. Так был открыт закон Мозли и введено понятие атомного номера как заряда ядра.
Создание квантовой модели атома
Открытия Резерфорда, ван ден Брука и Мозли позволили Нильсу Бору в том же 1913 году построить принципиально новую квантовую модель атома . В ней движение электронов вокруг ядра было квантовано - разрешено лишь по определенным орбитам. Это объяснило загадочные линейчатые спектры и стало важным шагом в развитии квантовой теории.
Последующее развитие теорий атомного ядра
В 1920-х годах были экспериментально открыты протоны и нейтроны - субчастицы, из которых состоит атомное ядро. Эти результаты позволили создать протонно-нейтронную модель ядра , давшую новое понимание его внутренней структуры.
Значение модели атома, предложенной Томсоном
Что представляет собой модель Томсона? Это первая научно обоснованная теория внутреннего строения атома. Она положила начало плодотворным исследованиям микромира, стимулировала новые эксперименты по изучению природы вещества. Хотя в итоге она была опровергнута, модель атома, предложенная Томсоном в 1904 году, навсегда вошла в историю физики как важный этап на пути познания тайн материи.
Влияние модели Томсона на развитие квантовой механики
Хотя "пудинговая" модель атома была опровергнута, она заложила фундамент для развития квантовой теории. Представление об электронах, движущихся по орбитам внутри атома, позднее реализовалось в квантовой механике.
Однако в отличие от модели Томсона, квантовая механика запрещает электрону непрерывное движение. Его координаты и импульс могут принимать лишь дискретные значения. Это квантование и объясняет возникновение линейчатых спектров атомов.
Ограниченность классических представлений
Несостоятельность модели Томсона продемонстрировала ограниченность классической физики в описании микромира. Электрон в атоме ведет себя совершенно не так, как макроскопические тела, подчиняющиеся законам Ньютона.
Для объяснения квантовых эффектов потребовалось развитие принципиально новых теоретических подходов, вылившихся в создание квантовой механики.
Переосмысление научной картины мира
Квантово-механическая картина мира радикально отличается от привычных нам представлений здравого смысла. Она заставляет по-новому взглянуть на такие фундаментальные понятия, как пространство, время, причинность.
Странный мир квантов опровергает детерминизм Ньютона. Мы можем лишь вероятностно предсказывать поведение квантовых объектов.
Вероятностный характер микромира
Согласно квантовой механике, мы не можем однозначно предсказать траекторию электрона в атоме. Можно лишь вычислить вероятность того, что он будет обнаружен в некоторой области пространства.
Этот вероятностный подход полностью противоречит классическим представлениям о строго детерминированном движении частиц. Однако многочисленные опыты подтверждают его необычайную точность.
