Історія великих відкриттів у фізиці. Продовження.

атоми

Незалежно один від одного троє вчених (Ф. Содді. Б. Рассел і К. Фаянс) прийшли до думки зіставити в послідовному порядку члени всіх трьох радіоактивних рядів з місцями відповідних елементів в періодичній системі Менделєєва. При цьому виявилося наступне цікаве співвідношення; кожен раз, коли радіоактивний елемент випускав альфа-частинку, він перетворювався на інший елемент, що стоїть в періодичній системі ліворуч від нього через одну клітинку. Навпаки, випускаючи електрон (бета-частинку), елемент перетворювався в іншій, що стоїть праворуч від нього. Виходило так, немов при радіоактивному розпаді елемент зрушувався вправо і вліво від свого вихідного положення. Звідси знайдений Содді, Расселом і Фаянсом закон отримав назву «закону зсуву».

Цей закон зрозуміти легко. Коли ядро випускає альфа-частинку, несучу два позитивні заряди, заряд ядра зменшується на дві одиниці, значить, і порядковий номер нового елемента буде на дві одиниці менше. Іншими словами, новий елемент, що виник з вихідного, як би пересувається на два місця вліво.

Навпаки, коли ядро випускає електрон – частинку, несучу один негативний електричний заряд, це рівнозначно тому, як якби до ядра приєднався ще один позитивний заряд. Значить, і порядковий номер нового елемента збільшується на одиницю в порівнянні з вихідним.

Так клітини таблиці Менделєєва втратили жорсткість, і їх стінки перестали бути глухими, непроникними перегородками. Тепер вони стали гнучкими, рухливими, а самі клітини виявилися лише сходами розвитку речовини, за якими в обох напрямках здійснюються «зрушення» і «переходи» взаємно перетворюваних елементів.

Нарешті, все в тому ж 1913 року Содді пояснив, чому хімічні властивості атомів, що володіють різними масами, виявляються тотожними. Це явище не вкладалося в рамки колишніх уявлень про атомному вагу як основних чинників, визначальних майже всі інші фізичні і хімічні властивості елементів. Тепер же роль такого визначального фактора перейшла до заряду ядра.

Содді роз’яснив, що хімічні властивості елемента обумовлені не вагою атома, а тільки величиною заряду, так як тільки зарядом визначається місце елемента в системі Менделєєва. Але на одному місці в системі може виявитися не один, а кілька сортів атомів з різними атомними вагами. Це будуть різновиди даного елемента, якщо сам елемент, який визначається зарядом ядра, вважатиметься видом атомів.

На конгресі англійських вчених в 1913 році Содді запропонував називати ці різновиди атомів ізотопами, що по-грецьки означає «однаковомістні». Таким чином, і тут періодичний закон в з’єднанні з даними про радіоактивність явився ключем до відкриття нового закону фізики («закону зсуву») і виробленні нового фізичного поняття («ізотопії»). Знову виникли фізичні поняття, які прямо вказували на те, що їх зміст підказано періодичною системою Менделєєва і поданням про місце в ній окремих хімічних елементів. «Порядкове число», знайдене Мозлі, означало номер місця елемента в системі, «зсув» означав пересувку елемента з одного місця на інше в цій же системі, «Ізотопія» означала потрапляння атомів з різними масами на одне і те ж місце знову-таки в цій системі. Все це говорило про те, що тріумф фізики, що проникла в таємниці будови атома, був, насамперед, тріумфом періодичного закону Менделєєва.

Разом з тим були наявні всі ознаки розпочатого грандіозного теоретичного синтезу. Його стрижнем став періодичний закон, на який почали нашаровуватися новітні фізичні відкриття, що знаходили в періодичному законі свою сутність. Сам же закон отримував подальший розвиток і поглиблення, збагачуючись за рахунок новітніх фізичних відкриттів і виявляючи при цьому все нові і нові свої сторони, які лише смутно міг передбачати Менделєєв.

Все це свідчило про те, що смуга руйнувань, викликана новітньою революцією в природознавстві, стала змінюватися смугою конструктивного, творчого розвитку. Кульмінаційним пунктом розпочатого теоретичного синтезу у фізиці стало велике відкриття, зроблене в 1913 році Нільсом Бором і що визначило розвиток атомної фізики на найближче десятиліття.

Н. Бор, працюючи в ті роки в лабораторії Резерфорда, часто обговорював з ним ті, здавалося б, нездоланні труднощі, з якими зіткнулася на перших порах планетарно-ядерна модель, створена Резерфордом. Але на ділі ці труднощі виявилися не такими вже непереборними, якими вони представлялися на початку. Н. Бор знайшов рішення. Він звернувся до відкриття Планка, яке доти стояло осторонь при вирішенні проблем будови матерії. Рішення Бора полягало в наступному; рухаючись навколо ядра за певною («дозволеною») орбітою, електрон не випускає енергію. Коли ж він випускає її, то робить це не безперервним «струменем», а як би окремими порціями (квантами). При цьому електрон відразу ж перескакує з однієї «дозволеної» орбіти на іншу, що лежить ближче до ядра. Точно так само, по Бору, при поглинанні однієї порції енергії (кванта) електрон перескакує на більш далеку від ядра орбіту.

Так виникла знаменита злодійська модель атома, а разом з нею і нова електромагнітна картина матерії. У моделі атома Бора блискуче синтезувалися результати всіх великих відкриттів у фізиці кінця XIX – початку XX століття. Об’єднуючим початком для всіх цих відкриттів, яке дозволило звести їх до спільного «знаменника», явився періодичний закон Менделєєва. Саме він виявився тим «дороговказом» (за висловом Бора), який допоміг відповісти на четверте питання: як розподіляються електрони всередині атома? Вони розподілялися шарами (або оболонками), і це відповідало розподілу елементів по періодах (або своєрідним «поверхах») у системі Менделєєва.

Після 1913 року Бор розробив свою модель для атомів всіх хімічних елементів, пов’язуючи її крок за кроком з періодичною системою Менделєєва. Вихідною ж моделлю для вирішення цього завдання послужила Бору модель, створена ним в 1913 році.

Звичайно, наука не зупинилася і на пізнішій моделі атома Бора. У цій моделі виявилися згодом свої труднощі, свої протиріччя з даними досліду, які зажадали корінної її ломки. При цьому (в 20-х роках минулого століття) народилася квантова механіка. У творчому розвитку її саму близьку і безпосередню участь брав до самих останніх днів свого життя Нільс Бор.

Головне, що піддалося корінній ломці в постулатах Бора, – це класичне уявлення про електрони як про кульки, які рухаються подібно до планет по строго певних орбітах навколо ядра. Це класичне уявлення було замінено новим, абсолютно незвичайним уявленням про електрон як частку і хвилю одночасно. Тому рух електрона навколо ядра схожий не на рух кульки, а скоріше на рух розмитої електронної хмари.

І все ж, незважаючи на таке корінне перетворення поглядів на будову атома і на саму природу його структурних елементів – тих цеглинок, з яких він будується, модель Бора в її перетвореному вигляді зберегла своє значення і для наших днів. Можна сміливо стверджувати, що якби у фізиці не було події 1913 року, то не було б і наступних подій 20-х років. Тільки почавши споруду атомів з ядра і електронів, як це зробив Бор, фізики змогли виявити ті протиріччя, вирішення яких було знайдено в квантовій механіці. Тоді-то і почався новий етап «новітньої революції в природознавстві», необхідною підготовкою і передумовою якого послужили відкриття у фізиці 1913 року. У цей рік фізики почали вже «доходити до електрона» і остаточно дійшли до нього, коли народилася квантова механіка. Цей рік став як би фокусом у розвитку фізики, тим фокусом, в якому сходяться найважливіші лінії попереднього руху наукової думки і з якого виходять найважливіші лінії її подальшого прогресу.

В історії фізики і всього природознавства 1913 – яскрава віха. І зараз сучасні вчені з глибокою повагою і щирим захватом звертають свій погляд до того, такого ще близького, і разом з тим, такого вже далекого минулого, коли закладався один з наріжних каменів сучасного фізичного вчення про будову матерії.

Автор: Б. Кедров.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *