Краткая история науки

Он взял идею Резерфорда по поводу того, что почти вся масса атома сосредоточена в небольшом ядре, и, приложив к ней новый научный инструмент, именуемый «квантовой физикой», в 1913-м предложил то, что назвали «боровской моделью атома». В модели он изобразил, как устроен атом, используя всю информацию, имевшуюся в распоряжении ученых того времени.

Представлялось, что атом в чем-то похож на нашу Солнечную систему, где в центре Солнце/ядро, а планеты/электроны вращаются вокруг него по определенным орбитам. В модели Бора вес положительно заряженного ядра давал атому его атомный вес и место в таблице Менделеева, ядро же состояло из положительно заряженных протонов.

Чем тяжелее атом, тем больше в его ядре протонов.

Количество протонов должно соответствовать числу электронов, чтобы атом в целом был электрически нейтрален. Электроны вращаются вокруг ядра по определенным орбитам, и вот в этом месте в дело вступала «квантовость».

Одной из блестящих идей, легших в основание квантовой физики, стала мысль о том, что феномены в природе проявляются определенными, индивидуальными порциями или квантами (история квантов будет рассказана в главе 32). В число этих вещей входят масса, энергия или вообще что угодно из научных величин.

В модели Бора орбиты электронов находятся в различных, индивидуальных квантовых состояниях. Электроны, расположенные ближе к ядру, притягиваются к нему сильнее, расположенные дальше – привязаны слабее, и именно они имеют возможность принимать участие в химических реакциях и порождать такие вещи, как электричество или магнетизм.

Если все это выглядит в достаточной степени сложным… так оно и есть.

Бор это отлично знал, но он также понимал, что его модель атома позволит химикам и физикам заговорить на одном языке. Она была построена на основании физических экспериментов, но позволяла объяснить многое из того, что химики наблюдали в своих лабораториях.

В особенности она помогала бросить свет на то, почему элементы в периодической системе ведут себя определенным образом и имеют конкретный шаблон сочетаемости, или валентность. Те атомы, которые объединяются поодиночке, поступают так потому, что у них есть лишь один «свободный» электрон, другие ведут себя иначе, поскольку число таких электронов у них иное.

Модель Бора стала одним из символов современной науки, при том что сейчас мы знаем – атом намного сложнее, чем полагал датский ученый.

С появлением его модели появились и новые вопросы.

Во-первых, как положительно заряженные протоны могут сосуществовать в крохотном пространстве атомного ядра? Если говорить об электрическом заряде, то противоположности притягиваются, а вещи со схожим полюсом отталкиваются (вспомните, как ведут себя два магнита). Почему тогда протоны не отталкиваются друг от друга и отчего электроны не затягивает в ядро?

Во-вторых, легчайший из известных атомов принадлежит водороду, и давайте предположим, что водород с его атомной массой 1 состоит из единственного протона и почти невесомого электрона. Это означает, что масса собственного протона будет та же 1. Почему тогда атомные массы в таблице Менделеева просто не увеличиваются в арифметической последовательности: 1, 2, 3, 4 и так далее?

Ответ на первую загадку появился только тогда, когда квантовая механика получила дальнейшее развитие. Второй вопрос, касавшийся пробелов в линии атомных масс, получил ответ много раньше, с ним разобрался другой коллега Резерфорда по Кембриджу. Джеймс Чедвик (1891–1974).

В 1932 году Чедвик объявил о результатах своих экспериментов по «бомбардировке» атомов. Со времени первых опытов Резерфорда этот метод стал жизненно важным для физиков, занимавшихся структурой вещества. Чедвик направлял потоки альфа-частиц на свой любимый металл, бериллий, и обнаружил, что тот иногда испускает частицу с атомной массой в единицу, но не имеющую заряда.

Он использовал имя Резерфорда для этой частицы – нейтрон, – но вскоре стало ясно, что это не просто скомбинированные электрон и протон, как полагал Резерфорд, а фундаментальная частица природы. Нейтрон оказался чем-то вроде потерянного звена для физиков, он позволил объяснить загадки атомных масс и мест элементов в таблице. Предложенная Менделеевым схема классификации продолжила доказывать свою полезность.

Нейтрон Чедвика также позволил открыть такое явление, как изотопы.

Иногда атомы одного и того же элемента имеют разные атомные массы, если у них в ядре имеется отличающееся количество нейтронов, нейтральных частиц. Изотопами как раз называют атомы одного элемента с разной атомной массой, даже водород иногда может обладать атомной массой в 2 вместо 1, когда к его единственному протону добавляется нейтрон.

Чедвик получил премию Нобеля за открытие нейтронов и их свойств уже через три года после самого открытия.