Атамная тэорыя

Атамная тэорыя — фізічная тэорыя, якая прадугледжвае, што ўсё на свеце складаецца з драбнюткіх часціц — атамаў, змацаваных паміж сабой ядзернымі і электрычнымі сіламі. У XX стагоддзі на практыцы было даказана, што атам можна падзяліць на яшчэ драбнейшыя — субатамныя — часціцы.

Гісторыя

Атамізм

У старажытнагрэчаскай філасофіі, а потым у сярэднія вякі, людзі меркавалі, што рэчы вакол іх складаюцца з дзвюх частак: непадзельных атамаў, нейкім чынам сашчэпленых адзін з адным, і з пустаты паміж атамамі. Атамы лічыліся вечнымі і незнішчальнымі карпускуламі. Гэта пазіцыя была адлюстравана ў працах такіх філосафаў, як Дэмакрыт ці Леўкіп, але ніякіх доказаў гэтай тэорыі ў той час не было.

Першая тэорыя будовы атама

У канцы XVIII стагоддзя былі адкрыты хімічныя законы захавання:

• Закон захавання масы, адкрыты ў 1789 годзе Антуанам Ларанам Лавуазье, кажа, што маса рэактываў у час хімічнай рэакцыі не змяняецца;
• Закон пастаянства саставу, адкрыты ў 1799 годзе Жозэфам Луі Прустам, кажа, што кожнае вызначанае хімічнае злучэнне, незалежна ад спосабу яго атрымання, складаецца з адных і тых жа хімічных элементаў;
• Закон кратных адносін, адкрыты ў 1803 годзе Джонам Дальтонам, кажа, што адносіны мас аднаго элемента да іншага будуць цэлым лікам.

Гэтыя законы не маглі б выконвацца з такой дакладнасцю, калі б матэрыя не была дыскрэтнай структурай. Але ў той час была не зусім ясная структура таго, што цяпер мы называем «малекулай». У 1811 годзе Амедэа Авагадра правёў серыю доследаў з газам і высветліў, што два літры вадароду рэагуюць толькі з адным літрам кіслароду пры атрыманні вадзяной пары. А з адкрыццём у 1827 годзе броўнаўскага руху, стала відавочна, што матэрыя складаецца з асобных часціц — атамаў, здольных збірацца ў групы — малекулы, то бок была створана атамная тэорыя будовы рэчыва.

Адкрыццё субатамных часціц

Асноўныя артыкулы: Субатамная часціца і Мадэль атама Томсана

Да 1897 года атамы лічыліся непадзельнымі. У 1897 годзе Джозэф Джон Томсан правёў досвед з круксавай трубкай, у якім упершыню назіраўся электрон. На катод падавалася пэўнае напружанне і, як пасля аказалася, у такіх умовах катод выпраменьвае пучкі электронаў. Томсан высветліў, што гэтыя пучкі адхіляюцца пры ўздзеянні на іх электрамагнітным полем. Сам Томсан называў гэтыя часціцы корпускул, але пазней ім далі асобнае імя — электроны.

Адкрыццё ядра атама

Асноўны артыкул: Планетарная мадэль атама

Мадэль атама Томсана была аспрэчаная ў 1909 годзе вучнем Томсана — Эрнэстам Рэзерфордам. Апошні выявіў, што атам не аднастайны па сваёй структуры: у цэнтры знаходзіцца масіўнае станоўча зараджанае шчыльнае ядро, а вакол яго, як планеты вакол Сонца, лётаюць адмоўна зараджаныя электроны.

Аказалася, калі абстрэльваць альфа-часціцамі тонкі ліст золата, то альфа-часціцы будуць адхіляцца на розныя куты, прычым частка з іх — на кут больш π/2 а такое можа быць толькі калі масіўная станоўчая альфа-часціца сустракае на сваім шляху досыць масіўную станоўчую перашкоду.

Стварэнне квантавай тэорыі атама

Асноўны артыкул: Бораўская мадэль атама

У планетарнай мадэлі быў шэраг недахопаў, з якіх самым істотным быў недахоп, звязаны з тэарэтычна дакладнай стратай энергіі электрона: так як электрон круціцца вакол атама, то на яго дзейнічае цэнтраімклівае паскарэнне, а па формуле Лармора любая зараджаная часціца, якая рухаецца з паскарэннем, выпраменьвае. Гэта значыць губляе энергію. А калі электрон губляе энергію, то ў рэшце рэшт ён павінен зваліцца на ядро, чаго ў рэальнасці не адбываецца.

У 1913 годзе Нільс Бор выказаў здагадку, што электрон круціцца не цалкам хаатычна, а на строга вызначаных арбітах, не змяняючы сваёй энергіі праз доўгі час. Пераход з арбіты на арбіту патрабуе пэўнай энергіі — кванта.

Адкрыццё ізатопаў

Асноўны артыкул: Ізатоп

У 1907 годзе радыёхімікам Фрэдэрыкам Содзі было выяўлена, што існуюць рэчывы з аднолькавымі хімічнымі ўласцівасцямі, але адрозныя колькасцю нейтронаў.

Адкрыццё ядзерных часціц

Асноўны артыкул: Атамнае ядро

У 1917 годзе Эрнэст Рэзерфорд бамбардзіраваў азотны газ з альфа-часціцамі і назіраў, як ядры вадароду выкідваюцца з газу (Рэзерфорд прызнаў іх, таму што раней ён атрымліваў іх праз бамбаванне вадароду альфа-часціцамі і назіранне за ядрамі вадароду ў прадуктах). Рэзерфорд прыйшоў да высновы, што ядры вадароду ўзнікаюць з ядраў саміх атамаў азоту (па сутнасці, ён расшчапіў азот).

З яго ўласнай працы і працы сваіх вучняў Нільса Бора і Генры Мозлі, Рэзерфорд ведаў, што станоўчы зарад любога атама заўсёды можа прыраўноўвацца да цэлай колькасці вадародных ядраў. Гэта ў спалучэнні з атамнай масай многіх элементаў прыблізна эквівалентна цэламу ліку атамаў вадароду — якія тады лічыліся самымі лёгкімі часціцамі — прыводзяць яго да высновы, што ядры вадароду з’яўляюцца адзінкавымі часціцамі і асноўным складнікам усіх атамных ядраў. Ён назваў такія часціцы пратонамі. Далейшыя эксперыменты Рэзерфорда выявілі, што ядзерная маса большасці атамаў перавышала масу пратонаў, якімі ён валодаў; ён выказаў здагадку, што гэтая лішняя маса складалася з невядомых раней нейтральна зараджаных часціц, якія папярэдне называлі «нейтронамі».

У 1928 г. Уолтэр Бот заўважыў, што пры бамбаванні альфа-часціцамі берылій выпускае моцна пранікальнае электрычна нейтральнае выпраменьванне. Пазней было выяўлена, што гэта выпраменьванне можа выбіць атамы вадароду з парафінавага воску. Першапачаткова гэта лічылася высокаэнергетычным гама-выпраменьваннем, паколькі гама-выпраменьванне мела падобны эфект на электроны ў металах, але Джэймс Чэдвік палічыў, што эфект іанізацыі быў занадта моцным, каб ён быў абумоўлены электрамагнітным выпраменьваннем, калі энергія і імпульс былі захаваны ва ўзаемадзеянні. У 1932 годзе Чадвік падвергнуў розныя элементы, такія як вадарод і азот, таямнічаму «выпраменьванню берылію», і, вымяраючы энергіі аддаленых зараджаных часціц, ён вывеў, што выпраменьванне насамрэч складалася з электрычна нейтральных часціц, якія не маглі быць бязлітаснымі, як гама-прамень, але замест гэтага трэба было мець масу, падобную да пратона. Цяпер Чадвік заявіў пра гэтыя часціцы як нейтроны Рэзерфорда. За адкрыццё нейтрона Чадвік атрымаў Нобелеўскую прэмію ў 1935 годзе.

Адкрыццё дзялімасці ядра

Асноўны артыкул: Атамнае ядро

У 1930 годзе было выяўлена, што калі высокаэнергетычныя альфа-часціцы трапляюць на некаторыя лёгкія элементы, то апошнія выпраменьваюць прамяні з незвычайна вялікай пранікальнай здольнасцю. Гэта выпраменьванне валодае значна большай пранікальнай здольнасцю, чым усе вядомыя астатнія прамяні. У 1932 годзе Ірэн і Фрэдэрык Жаліё-Кюры паказалі, што калі гэта невядомае выпраменьванне трапляе на парафін, то ўтвараюцца пратоны высокіх энергій, што не сыходзілася з тэарэтычнымі разлікамі. Джэймс Чэдвік выказаў здагадку, што гэта выпраменьванне складаецца з незараджаных часціц з масай, блізкай да масы пратона, і правёў серыю эксперыментаў [якіх?], якія пацвердзілі гэтую гіпотэзу. Гэтыя незараджаныя часціцы былі названы нейтронамі.

Літаратура

• Aristotle, Metaphysics I, 4, 985b 10—15.
• Berryman, Sylvia, «Ancient Atomism», The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2008 Edition), Edward N. Zalta (ed.).
• Proust, Joseph Louis. «Researches on Copper», excerpted from Ann. chim. 32, 26-54 (1799) [as translated and reproduced in Henry M. Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry, 1400—1900 (Cambridge, MA: Harvard, 1952)]. Retrieved on August 29, 2007.
• Andrew G. van Melsen. From Atomos to Atom. — Mineola, N.Y.: Dover Publications, 1952. — ISBN 0-486-49584-1.
• Avogadro, Amedeo (1811.). «Essay on a Manner of Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies, and the Proportions in Which They Enter into These Compounds». Journal de Physique 73: 58-76.