Атомистическая концепция строения материи

Концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т.е. состоит из мельчайших частиц – атомов.

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо е и положительно заряженной частицы.

Исходя из этого Дж. Дж. Томсон в 1902 г. предложил первую модель атома – положительный заряд распределён в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него. Эта система просуществовала 15 лет, не устояв перед опытом: эта модель не объяснила почему радиоактивные вещества испускают положительно заряж. частицы.

В 1911 г. Резерфорд предложил новую модель атома: в центре положит заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электрон (планетарная модель атома). При вращении электрона возникает центробежная сила, которая удерживает его на определённом расстоянии. Эта модель не могла объяснить происхождение спектров, при разложении света. Электрон, излучая энергию, должен, в конце концов, её потерять и упасть на ядро, но это не происходит.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор на основе модели Резерфорда, выдвинул два постулата, совершенно не совместимые с классической механикой:

- в атоме, находящимся в стационарном положении, электроны двигаются по стационарным орбитам, не излучаясь;

- электроны излучают энергию только при переходе с одной орбиты на другую.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, почему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на много­электронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других — меньше.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома.

Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с исследованием элементарных частиц.

В настоящее время говорится о кварковой модели атома:

- Каждый атом состоит из тяжёлого ядра и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру в периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10-13см. Электрический заряд нейтрона равен 0. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твёрдого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.