Лекция № 2. История эволюции взглядов на атом и его строение.

План

1. Древнейшие представления.

2. Атомно-молекулярная теория Дальтона.

3. Катодные лучи и открытие электрона.

4. Модель Томпсона

5. Открытие протонов и ядра. Планетарная модель атома.

6. Теория квантов и понятие волны.

В конце Х1Х–го века большинство ученых признало реальность существования атомов, хотя идея их существования была высказана древними греками ещё в 600 – 300 –х годах до н.э. При этом они представляли два принципиальных направления:

1) одни пытались ответить на вопрос «почему?», и как реагируют вещества между собой …

2) другие на вопрос «сколько?» - каков предел делимости материи …

Демокрит (ок. 470 – 360 до н.э.)

и деление яблока

(άτομος – неделимый !)

Анализируя второе направление научной мысли древних, необходимо отметить, что творцом идеи атома принято считать Демокрита (ок. 470 – 360 до н.э.) из города Абдеры.

Возвращаясь к Демокриту: яблоко на рисунке неслучайно: легенда говорит, что, размышляя о делении яблока на всё более мелкие части, Демокрит и пришел к понятию «атома», т.е. частицы, деление которой приведет к утрате свойств яблока.

Вот что он (Демокрит) написал более тысяч лет назад: «Начало вселенной - атомы и пустота, всё же остальное существует лишь в мнении. Миров бесчисленное множество и они имеют начало и конец во времени. И ничто не возникает из небытия, и ни разрешается в небытие». Демокриту казалось, что атомы каждого элемента имеют особые размеры и форму и что именно этим объясняются различия в свойствах элементов. Реальные вещества, которые мы видим и ощущаем, представляют собой соединения атомов различных элементов.

Эти утверждения Демокрита звучат удивительно современно, но Демокрит не подкрепил свою теорию доказательствами, экспериментами. Надо сказать, что древнегреческие философы вообще не ставили экспериментов, они искали истину в споре, исходя из «первопричин». Поэтому атомистическая теория не была принята большинством философов, и она оставалась непопулярной в течение 2 тысячелетий после Демокрита, о ней почти никто не вспоминал.

В

И. Ньютон (1642 - 1727)

1789 году А. Лавуазье публикует «Элементарную теорию химии» (было известно 33 элемента) – утверждая понятие «элемент».

В 1803 – 1805 году Д. Дальтон предложил атомно – молекулярную теорию. (Именно Дальтон предложил использовать в 1815 году для лечения иод в лондонском госпитале.) Предположение Дальтона было в основном умозрительным, т.е. у него не было доказательств его теории, но оно позволило связать между собой известные к тому времени факты и постепенно получило признание как полезная теория. Выдвинутые им предположения заключались в следующем:

1. Атомы представляют собой мельчайшие частицы вещества, которые невозможно разделить на составные части или превратить друг в друга;

2. Атомы нельзя уничтожить;

3. Все атомы одного элемента совершенно одинаковы и имеют одинаковый вес.

4. Атомы различных элементов имеют различные веса.

5. При химической реакции между элементами их атомы соединяются друг с другом в простых, целочисленных отношениях;

6. Относительные веса элементов, которые соединяются друг с другом, непосредственно связаны с весами самих атомов, как это показывает закон постоянства состава вещества.

Идеи Дальтона заложили основу современной атомной теории. Своей простотой и ясностью они вызвали большой интерес у современников и побудили их исследовать другие количественные закономерности в химических реакциях.

Решающим же в штурме тайны строения атома был 1869 год, который известен как год рождения периодического закона [1] – и это так – но и как год «крушения» представлений о неделимости атома. В этом году немецкий учёный Иоган Гитторф (1824 – 1914) пропуская электрический ток через вакуум внутри стеклянной трубки обнаружил новый вид лучей, которые впоследствии назвали «катодными лучами» [2] .

М. Фарадей (1791 - 1867)

Наблюдая как молния пробивает толщу воздушной массы, М. Фарадей (1791 - 1867) задался целью пропустить ток через слой воздуха или пустоты, т.е. смоделировать молнию. Тогда не было ни мощных источников тока, ни глубокого вакуума, поэтому из этой затеи у Фарадея ничего не получилось, НО ИДЕЯ ОСТАЛАСЬ. В 1855 ГОДУ (ЕЩЁ ПРИ ЖИЗНИ ФАРАДЕЯ) немецкий стеклодув Генрих Гейслер (1814– 1879) изготовил хорошо вакуумированные им же трубки. Далее его друг физик и математик Юлиус Плюккер (1801 – 1868) использовал их для изучения электрических разрядов в вакууме и газах.

Но не ему первому пришла идея попускать ток через воздушное пространство.

Приблизительно в 1875 г. английский физик Уильям Крукс сконструировал трубки, в которых можно было получить более глубокий вакуум. Такие устройства назвали круксовыми трубками по имени ее изобретателя – Вильяма Крукса (1832-1919). В период между 1870 и 1879 г.г. он сконструировал множество таких трубок. Круксова трубка является предшественником почти всех приборов, основанных на явлении электронной эмиссии, включая хорошо знакомый нам телевизор, флуоресцентные лампы, радиолампы, осциллограф, рентгеновская трубка, а также рекламные неоновые трубки. На рисунке представлена простейшая схема такой трубки.

катод

При подаче на катод и анод напряжения внутри трубки возникал поток каких то лучей, причем, этот поток двигался от катода к аноду. Этот поток получил название катодных лучей: В 1876 году немецкий физик Эуген Гольдштейн (1850 – 1930) назвал поток, образующийся в темном пространстве «катодные лучи» [3] . Описывая катодные лучи, Крукс перечислял следующие их свойства:

1) они распространяются прямолинейно, так Рис.1.Круксова трубка. что за предметами, помещенными на их пути, наблюдаются тени (рис.1), (следовательно, лучи не проходят сквозь предметы и не огибают их);

2) они обладают кинетической энергией;

3) они вызывают флуоресцентное свечение некоторых веществ (мы наблюдаем такую флуоресценцию на экране телевизионной трубки);

4) когда катодные лучи ударяются о стенки трубки часть их энергии превращается в тепловую энергию;

5) они откланяются в магнитном поле (рис. 2): магнит подвешен над экраном таким образом, что ось север-юг магнита перпендикулярна направлению распространения лучей .Ранее упомянутый Гитторф также обнаружил, что они отклоняются в магнитном поле.

катодные лучи заряжены отрицательно, потому что они движутся по направлению от отрицательного полюса трубки к положительному ;

8) они могут проникать сквозь тонкиелистки металлов, например, через алюминиевый листок толщиной 1 мм.

9) проходя через область трубки, которая специально насыщена водяными парами, эти лучи оставляют на своем пути туманные следы – треки.