Модель атома Томсона
«Существование атомов невозможно доказать. Их нельзя увидеть, нельзя потрогать, они существуют только в нашем воображении. Это абстракция.»
Эрнст Мах
Со времен Демокрита атом считался элементарной структурной единицей вещества. А так ли это? Оказывается, нет. И первым, кто это доказал, был английский физик Джозеф Томсон.
В середине XIX века в физике активно исследовались различные электрические явления. Открытия вырастали одно за другим, как грибы после хорошего осеннего дождика. Одним из исследователей электрических явлений был немецкий физик и математик Юлиус Плюккер.
Преддверие открытия
Плюккер поставил довольно простой эксперимент. В герметичную стеклянную трубку с разреженным газом были помещены два электрода. Катод подключался к отрицательному полюсу батареи, анод—к положительному. При подаче высокого напряжения газ в трубке начинал светиться. Откачивая газ из трубки, Плюккер наблюдал постепенное исчезновение свечения, и лишь слегка оно оставалось в области анода. Так в 1859 году было открыто новое излучение.
Немецкий физик Ойген Гольдштейн продолжил работу Плюккера, он высказал идею о волновой природе открытого излучения и назвал его катодными лучами. Англичанин Уильям Крукс не согласился с ним и предположил, что катодные лучи являются потоками частичек вещества. Его правоту уже 1895 году подтвердил французский физик Жан Перрен, который экспериментально доказал, что этот поток движется прямолинейно, но может отклоняться магнитным полем.
Можно сказать, что подготовительные работы к раскрытию тайны атома были уже проведены. В этом же году к исследованию катодных лучей в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета приступает ее директор Джозеф Томсон. Изучая отклонение лучей в магнитном поле, он приходит к выводу, что все частицы, образующие катодные лучи, одинаковы, или, говоря языком физики, тождественны, и являются составляющими вещества. Измерив скорость их движения, которая была значительно ниже скорости света, Томсон понял, что они обладают массой и находятся в составе атомов. А значит, атом не такой уж и неделимый.
«Каша в голове — так поделись с ближним!» (Джозеф Джон Томсон)
Атом-пудинг. Как это по-английски!
После открытия электрона неделимость атома уже стала доказанным фактом, и пришла пора построить модель атома. К построению этой модели и приступил Джозеф Томсон. И лишь спустя семь лет, в 1904 году, он предложил один из ее вариантов.
Согласно его модели, атом состоит из отрицательно заряженных электронов (хотя сам Томсон называл их «корпускулами»), обладающих наименьшим квантованным зарядом — то есть не может быть заряда меньше, чем у электрона, и не может быть заряда в полтора электрона, — и положительно заряженного «шара» (или облака), компенсирующего отрицательные заряды электронов. Так что в целом атом электронейтрален.
Модель напоминала пудинг, в котором находились изюминки, впоследствии она получила название «пудинговая модель атома». Справедливости ради следует заметить, что сам ученый никогда не давал ей такое название.
В соответствии с этой моделью электроны могли свободно вращаться в капле или облаке такой положительно заряженной субстанции. Их орбиты стабилизировались тем, что при удалении электрона от центра положительно заряженного облака он испытывал увеличение силы притяжения, возвращающей его обратно, поскольку внутри его орбиты было больше вещества противоположного заряда, чем снаружи. В модели Томсона электроны могли свободно вращаться по кольцам, которые стабилизировались взаимодействиями между электронами, а наличие спектров объясняло энергетические различия между различными кольцевыми орбитами.
Модель Томсона была способна объяснить излучение атомом электромагнитных волн определенной частоты колеблющимися электронами, выведенными из положения равновесия, но она не смогла объяснить излучение большого числа спектральных линий. Также модель Томсона не давала возможности понять, что определяет размеры атомов. Но это был только первый шаг в познании структуры атома. Поскольку выяснилось, что электрон обладает наименьшим квантованным зарядом, открытие Томсона еще раз доказало существование квантовой природы физических процессов в микромире.
Электрон как частица был обнаружен в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Через 9 лет ученому присудили Нобелевскую премию с формулировкой «за исследования проводимости электричества газами». Его сын, Джордж Паджет Томсон, в 1927 году обнаружил волновые свойства электрона и впоследствии тоже удостоился Нобелевки «за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах».