Создание моделей атома и его роль в развитии ядерной физики

       РАЗВИТИЕ  МОДЕЛЬНОЙ ТЕОРИИ АТОМА БОРА 

       Весьма  важным результатом теории Бора было объяснение спектра атома водорода. Дальнейший шаг в развитии теории атомных спектров был сделан немецким физиком А. Зоммерфельдом. Разработав более детально правила квантования, исходя из более сложной картины движения электронов в атоме (по эллиптическим орбитам) и учитывая экранирование внешнего (т. н. валентного) электрона в поле ядра и внутренних электронов, он сумел дать объяснение ряда закономерностей спектров щелочных металлов.

       Теория  атома Бора пролила свет и на структуру  т. н. характеристических спектров рентгеновского излучения. Рентгеновские спектры  атомов так же, как и их оптические спектры, имеют дискретную линейчатую структуру, характерную для данного элемента (отсюда и название). Исследуя характеристические рентгеновские спектры различных элементов, английский физик Г. Мозли открыл следующую закономерность: квадратные корни из частот испускаемых линий равномерно возрастают от элемента к элементу по всей периодической системе Менделеева пропорционально атомному номеру элемента. Интересно то обстоятельство, что закон Мозли полностью подтвердил правоту Менделеева, нарушившего в некоторых случаях принцип размещения элементов в таблице по возрастающему атомному весу и поставившего некоторые более тяжёлые элементы впереди более лёгких.

       На  основе теории Бора удалось дать объяснение и периодичности свойств атомов. В сложном атоме образуются электронные  оболочки, которые последовательно  заполняются, начиная от самой внутренней, определёнными числами электронов (физическая причина образования  оболочек стала ясна только на основании  принципа Паули, см. ниже). Структура  внешних электронных оболочек периодически повторяется, что обусловливает периодическая повторяемость химических и многих физических свойств элементов, расположенных в одной и той же группе периодической системы. На основе же теории Бора немецким химиком В. Косселем были объяснены (1916) химического взаимодействия в т. н. гетерополярных молекулах.

       Однако  далеко не все вопросы теории атома  удалось объяснить на основе модельных представлений теории Бора. Она не справлялась со многими задачами теории спектров, позволяла получать лишь правильные значения частот спектральных линий атома водорода и водородоподобных атомов, интенсивности же этих линий оставались необъяснёнными; Бору для объяснения интенсивностей пришлось применить принцип соответствия.

       При переходе к объяснению движений электронов в атомах, более сложных, чем атом водорода, модельная теория Бора оказалась в тупике. Уже атом гелия, в котором вокруг ядра движутся 2 электрона, не поддавался теоретической интерпретации на её основе. Трудности при этом не исчерпывались количественными расхождениями с опытом. Теория оказалась бессильной и в решении такой проблемы, как соединение атомов в молекулу. Почему 2 нейтральных атома водорода соединяются в молекулу водорода? Как вообще объяснить природу валентности? Что связывает атомы твёрдого тела? Эти вопросы оставались без ответа. В рамках боровской модели нельзя было найти подхода к их решению.⁷ 

       КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКАЯ  ТЕОРИЯ АТОМА 

       Ограниченность  боровской модели атома коренилась в ограниченности классических представлений  о движении микрочастиц. Стало ясно, что для дальнейшего развития теории атома необходимо критически пересмотреть основные представления о движении и взаимодействии микрочастиц. Неудовлетворительность модели, основанной на классической механике с добавлением условий квантования, отчётливо понимал и сам Бор, взгляды которого оказали большое влияние на дальнейшее развитие Атомной физики. Началом нового этапа развития Атомной физики послужила идея, высказанная французским физиком Л. де Бройлем (1924) о двойственной природе движения микрообъектов, в частности электрона (волны де Бройля). Эта идея стала исходным пунктом квантовой механики, созданной в 1925-26 трудами В. Гейзенберга и М. Борна (Германия), Э. Шрёдингера (Австрия) и П. Дирака (Англия), и разработанной на её основе современной квантовомеханической теории атома.

       Представления квантовой механики о движении электрона (вообще микрочастицы) коренным образом отличаются от классических. Согласно квантовой механике, электрон не движется по траектории (орбите), подобно твёрдому шарику; движению электрона присущи также и некоторые особенности, характерные для распространения волн. С одной стороны, электрон всегда действует (например, при столкновениях) как единое целое, как частица, обладающая неделимым зарядом и массой; в то же время электроны с определённой энергией и импульсом распространяются подобно плоской волне, обладающей определённой частотой (и определённой длиной волны). Энергия электрона Е как частицы связана с частотой v электронной волны соотношением: E=hv, а его импульс р - с длиной волны l соотношением: р=h/l.⁸

       Устойчивые  движения электрона в атоме, как  показал Шрёдингер (1926), в некотором  отношении аналогичны стоячим волнам, амплитуды которых в разных точках различны. При этом в атоме, как в колебательной системе, возможны лишь некоторые "избранные" движения с определёнными значениями энергии, момента количества движения и проекции момента электрона в атоме. Каждое стационарное состояние атома описывается при помощи некоторой волновой функции, являющейся решением волнового уравнения особого типа - уравнения Шрёдингера; волновой функции соответствует "электронное облако", характеризующее (в среднем) распределение плотности электронного заряда в атоме. В 20-30-х гг. были разработаны приближённые методы расчёта распределения плотности электронного заряда в сложных атомах, в частности метод Томаса - Ферми (1926, 1928). Эта величина и связанное с ней значение т. н. атомного фактора важны при исследовании электронных столкновений с атомами, а также рассеяния ими рентгеновских лучей.

       На  основе квантовой механики удалось  путём решения уравнения Шрёдингера правильно рассчитать энергии электронов в сложных атомах. Приближённые методы таких расчётов были разработаны в 1928 Д. Хартри (Англия) и в 1930 В. А. Фоком (СССР). Исследования атомных спектров полностью подтвердили квантовомеханическую теорию атома. При этом выяснилось, что состояние электрона в атоме существенно зависит от его спина - собственного механического момента количества движения. Было дано объяснение действия внешних электрических и магнитных полей на атом. Важный общий принцип, связанный со спином электрона, был открыт швейцарским физиком В. Паули (1925), согласно этому принципу, в каждом электронном состоянии в атоме может находиться только один электрон; если данное состояние уже занято каким-либо электроном, то последующий электрон, входя в состав атома, вынужден занимать другое состояние. На основе принципа Паули были окончательно установлены числа заполнения электронных оболочек в сложных атомах, определяющие периодичность свойств элементов. Исходя из квантовой механики, немецкие физики В. Гейтлер и Ф. Лондон (1927) дали теорию т. н. гомеополярной химической связи двух одинаковых атомов (например, атомов водорода в молекуле H₂), не объяснимой в рамках боровской модели атома.

       Важными применениями квантовой механики в 30-х гг. и в дальнейшем были исследования связанных атомов, входящих в состав молекулы или кристалла. Состояния атома, являющегося частью молекулы, существенно отличаются от состояний свободного атома. Существенные изменения претерпевает атом также в кристалле под действием внутрикристаллического поля, теория которого была впервые разработана Х. Бете (1929). Исследуя эти изменения, можно установить характер взаимодействия атома с его окружением. Крупнейшим экспериментальным достижением в этой области Атомной физики было открытие Е. К. Завойским в 1944 электронного парамагнитного резонанса, давшего возможность изучать различные связи атомов с окружающей средой.⁹ 

       СОВРЕМЕННАЯ АТОМНАЯ ФИЗИКА 

       Основными разделами современной Атомной физики являются теория атома, атомная (оптическая) спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, радиоспектроскопия (она исследует также и вращательные уровни молекул), физика атомных и ионных столкновений. Различные разделы спектроскопии охватывают разные диапазоны частот излучения и, соответственно, разные диапазоны энергий квантов. В то время как рентгеновская спектроскопия изучает излучения атомов с энергиями квантов до сотен тыс. эв, радиоспектроскопия имеет дело с очень малыми квантами - вплоть до квантов менее 10^-6 эв.

       Важнейшая задача Атомной физики - детальное определение всех характеристик состояний атома. Речь идёт об определении возможных значений энергии атома - его уровней энергии, значений моментов количества движения и других величин, характеризующих состояния атома. Исследуются тонкая и сверхтонкая структуры уровней энергии, изменения уровней энергии под действием электрических и магнитного полей - как внешних, макроскопических, так и внутренних, микроскопических. Большое значение имеет такая характеристика состояний атома, как время жизни электрона на уровне энергии. Наконец, большое внимание уделяется механизму возбуждения атомных спектров.

       Области явлений, исследуемых разными разделами  Атомной физики, перекрываются. Рентгеновская спектроскопия измерением испускания и поглощения рентгеновских лучей позволяет определить главным образом энергии связи внутренних электронов с ядром атома (энергии ионизации), распределение электрического поля внутри атома. Оптическая спектроскопия изучает совокупности спектральных линий, испускаемых атомами, определяет характеристики уровней энергии атома, интенсивности спектральных линий и связанные с ними времена жизни атома в возбуждённых состояниях, тонкую структуру уровней энергии, их смещение и расщепление в электрическом и магнитном полях. Радиоспектроскопия детально исследует ширину и форму спектральных линий, их сверхтонкую структуру, сдвиг и расщепление в магнитном поле, вообще внутриатомные процессы, вызываемые очень слабыми взаимодействиями и влияниями среды.

       Анализ  результатов столкновений быстрых  электронов и ионов с атомами даёт возможность получить сведения о распределении плотности электронного заряда ("электронного облака") внутри атома, об энергиях возбуждения атома, энергиях ионизации.

       Результаты  детального исследования строения атомов находят самые широкие применения не только во многих разделах физики, но и в химии, астрофизике и других областях науки. На основании изучения уширения и сдвига спектральных линий можно судить о местных (локальных) полях в среде (жидкости, кристалле), обусловливающих эти изменения, и о состоянии этой среды (температуре, плотности и др.). Знание распределения плотности электронного заряда в атоме и её изменений при внешних взаимодействиях позволяет предсказать тип химических связей, которые может образовывать атом, поведение иона в кристаллической решётке. Сведения о структуре и характеристиках уровней энергии атомов и ионов чрезвычайно важны для устройств квантовой электроники. Поведение атомов и ионов при столкновениях - их ионизация, возбуждение, перезарядка - существенно для физики плазмы. Знание детальной структуры уровней энергии атомов, особенно многократно ионизованных, важно для астрофизики.

       Таким образом, атомная физика тесно связана с другими разделами физики и другими науками о природе. Представления об атоме, выработанные атомной физикой, имеют и важное мировоззренческое значение. "Устойчивость" атома объясняет устойчивость различных видов вещества, непревратимость химических элементов в естественных условиях, например при обычных на Земле температурах и давлениях. "Пластичность" же атома, изменение его свойств и состояний при изменении внешних условий, в которых он существует, объясняет возможность образования более сложных систем, качественно своеобразных, их способность приобретать различные формы внутренней организации. Так находит разрешение то противоречие между идеей о неизменных атомах и качественным многообразием веществ, которое существовало и в древности, и в новое время и служило основанием для критики атомизма.¹⁰

       ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

       Вот уже как 12 лет мы живем в ХХ веке. Как он будет называться: веком  электроники, авиации, компьютеров? Трудно сказать, но наверняка физики ХХI века, оглядываясь в прошлое, назовут его веком квантовой механики, возникновению которой и предшествовали открытия, связанные с «устройством» атома и его закономерностей.

       Изучив  структуру ядра и свойства входящих в него частиц, человек научился значительно увеличивать энергию заряженных частиц  (ускорители), изменять состав ядра  (получение искусственных изотопов и элементов), осуществлять цепную реакцию деления тяжелых ядер (ядерный реактор, атомная бомба и атомная электростанция) и синтез легких ядер (термоядерный реактор).

       Новые знания так прочно вошли в нашу жизнь,  что без них существование человечества кажется уже невозможным. Мы интенсивно развиваем атомную энергетику и с нетерпением ждем появления коммерческих термоядерных электростанций,  поскольку без энергетического сопровождения экономическое развитие государства неосуществимо. Пожалуй, нельзя отказаться и от иных применений радиоактивности  (в медицине, космической технике, сельском хозяйстве и т.д.) 

       ЛИТЕРАТУРА 

1. Бор Н., Три  статьи о спектрах и строении атомов, пер. с нем., М.-П., 1923;
2. Борн М., Современная физика, пер. с нем., М., 1965;
3. Бройль Л., Революция в физике, пер. с франц., М., 1963;
4. Шпольский Э. В., Атомная физика, 5 изд., т. 1, М., 1963;
5. Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе.// М., Наука, 1983 г;
6. Кудрявцев П.С. Курс истории физики.// М., Просвещение, 1982 г;
7. М. А. Ельяшевич. Р. Я. Штейнман. Атомная физика. БСЭ –3-е изд., М.: Советская энциклопедия, 1970;
8. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.// М., Наука, 1990 г.