Состав и модели атома

Состав атома, Экспериментальные методы, Модели строения атома На рубеже XIX и XX веков в физике произошли радикальные изменения, связанные с переосмыслением ее базовых принципов. В результате возникла квантовая физика. Нам важно понять не только ее современное содержание, но также исторические и логические причины ее появления. В XIX веке в теориях, описывающих строение вещества, окончательно утвердился молекулярно-кинетический подход. Развитие химии привело к пониманию того, что молекулы всех веществ состоят из относительно небольшого количество сортов атомов. Кроме того, стало ясно, что атомы вовсе не являются «неделимыми» частицами. Попытки изучить их внутреннее строение опирались на самый естественный принцип - для ответа на вопрос «из чего состоит объект», нужно выяснить, что можно из него извлечь. В первую очередь было понятно, что электрически нейтральные (в целом) атомы состоят из объектов с ненулевым электрическим зарядом - положительным или отрицательным. При этом атомы и молекулы при взаимодействии могут обмениваться зарядами и превращаться в заряженные ионы (соответственно атомные или молекулярные). При изучении токов в различных средах было обнаружено, что существует «наименьшая порция» электрического заряда \(e\) (впоследствии названная элементарным зарядом) - заряды всех ионов оказались кратны этой величине. Впервые количественную оценку величину этого заряда получил в 1874 году ирландский физик Джордж Стони (используя законы Фарадея для электролиза и экспериментальные данные). Правда, она была очень приблизительной (Стони ошибся примерно в 16 раз). Довольно точный результат ( \(e \approx 1,6 \cdot 10^{-19}\) Кл) был получен в опытах Роберта Милликена, проведенных в период с 1909 по 1913 год. Милликен распылял масло мелкими капельками и измерял их заряд, «подвешивая» их в электрическом поле, а затем изменял этот заряд, освещая капельки светом. Элементарный заряд был наименьшим общим кратным изменений зарядов капель. Другим вкладом Стоуни в физику микромира стало «изобретение» термина «электрон» - именно так он назвал «единицу электричества». С другой стороны, при изучении электрического разряда в газе при низком давлении в 1859 году были открыты катодные лучи - потоки заряженных частиц, которые в вакууме в отсутствие электромагнитных полей распространялись по прямой от анода к катоду, а электрические и магнитные поля вызывали их отклонение (это было обнаружено Уильямом Круксом в 1879 году, и это способствовало созданию электронно-лучевых трубок, которые стали прообразом кинескопов первых телевизоров и мониторов). Наконец, Джозеф Томсон в 1897 году по отклонению катодных лучей измерил удельный заряд (отношение величины заряда к массе) для частиц катодных лучей. Нетрудно обнаружить, что в «слое» толщиной \(L\) однородного электрического поля \(\vec{E}\) , перпендикулярном вектору начальной скорости заряженной частицы \(\vec{v}_{0}\) , эта частица движется по параболе и величина ее отклонения \(d\) пропорциональна удельному заряду: \[\left\{\begin{array}{l} x(t)=v_{0} t \\ y(t)=\frac{e E}{2 m} t^{2} \end{array}\right\} \Rightarrow d=\frac{e E}{2 m v_{0}^{2}} L^{2}.\] Таким образом в итоге была открыта первая «субатомная» частица с отрицательным зарядом \(-e\) и массой \(m_{e} \approx 9,1 \cdot 10^{-31}\) кг, которую теперь и называют электроном. Так как масса электрона более чем в 1000 раз меньше массы самого легкого из атомов - атома водорода, то было понятно, что носители положительного заряда в атоме намного более тяжелые.