Д.Д. Томсон: Кн. для учащихся - Кудрявцев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
АТОМ ТОМСОНА
Первыми исследованиями положительных лучей Томсон начал заниматься в 1906 г., а за два года до этого появилась его статья «Структура атома», в которой была описана по существу первая модель атома. В этой статье им были развиты идеи, высказанные в 1903 г. в книге «Электричество и материя».
Со времен Демокрита (ок. 460—370 гг. до н. э.), древнегреческого ученого, одного из основателей атомистики, атом понимался большинством ученых' как неделимая частица — первооснова всего существующего в мире. Однако по мере развития науки взгляд на атом постепенно менялся. Так, английский ученый Вильям Праут (1785 —1850) в 1815 г. высказал гипотезу, что атомы всех элементов построены из
62 атомов водорода. Француз Жан.Батист Андре Дюма (1800 — 1884) считал, что все атомы состоят не из водородного атома, а атома, в четыре раза меньшего. Открытие периодического закона выдающимся русским химиком'Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834—1907) подтверждало мысль о сложном строении атома, указывало на общие свойства атомов различных элементов.
Некоторые ученые пытались раскрыть физическое содержание периодического закона, исходя из гипотез о структуре атома. Русский ученый, профессор Московского университета Борис Николаевич Чичерин (1828—1904), анализируя свойства химических элементов, также пришел к идее о сложном строении атома. Другой русский ученый, революционер Николай Александрович Морозов (1854—1946) в Шлиссель-бургской крепости, в которой он был заточен за революционную деятельность с 1882 по 1905 г., на основе периодического закона Менделеева пришел к мысли о «составе атомов... из более мелких по своей массе скоплений первоначального вещества».
Ирландский ученый Джордж Джонстон Стоней (1826— 1911), исходя из электромагнитной теории Максвелла и идеи дискретности заряда, в 1898 г. объяснял причину спектров орбитальным движением электронов в атоме.
Однако идеи этих ученых о сложном строении атомов были всего лишь гипотезами, смутными догадками, не опирающимися на экспериментальные доказательства. Открытия радиоактивности и электрона были как раз теми фактами, которые прямо говорили, что атом имеет сложное строение. Эти открытия дали новый толчок в разработке моделей атома.
Первой научной гипотезой о строении атома, опирающейся на новые открытия, была модель, предложенная Дж. Дж. Том-соном. Обращение к построению атома было вызвано открытием электрона, являющегося составной частью всех атомов. Кроме того, явление радиоактивности говорило о том, что оно зависит от «изменений, происходящих в атомах радиоактивных веществ». «Если это так,— писал Томсон,— то мы должны обратиться к проблеме строения атома и посмотреть, не можем ли мы объяснить замечательные свойства радиоактивных веществ. Поэтому не мешает рассмотреть, какое значение имеет существование корпускул для проблемы строения атома; и если даже модель атома, к которой нас приведут эти соображения, будет груба и несовершенна, то, может быть, она покажет нам пути исследований, которые могут дАть нам новые сведения о строении атома».
В своей модели Томсон развивает теорию строения атома, предложенную в 1902 г. Уильямом Томсоном в статье «Эпинус атомизированный». У У. Томсона атом представляет собой сферу, равномерно заряженную положительным электричест-
» 63 вом, в центре которой помещен электрон. Дж. Дж. Томсон опирается на эту модель и предлагает свою.
Модель Дж. Дж. Томсона представляла собой равномерно заряженную положительным зарядом сферу, в которой вращались или покоились электроны (корпускулы, как их называл Томсон). Поскольку атом в целом нейтрален, то общий заряд электронов равен положительному заряду сферы. Объем сферы гораздо больше объема корпускулы. Электроны вращаются по круговым орбитам, расположенным на различных расстояниях от центра сферы, зависящих от скорости электронов. При некоторой скорости корпускулы достигают поверхности сферы, а дальнейшее увеличение скорости заставляет их покидать сферу. Это означает, что атом распался. Томсон заключает, что атом устойчив тогда, когда кинетическая энергия корпускул не превышает некоторой предельной величины. При движении корпускулы излучают энергию, при этом /уменьшается их кинетическая энергия. Увеличение числа корпускул в атоме уменьшает излучение. Оно бы совершенно исчезло, если бы корпускулы «были расположены так тесно, что образовали бы непрерывное кольцо отрицательного электричества. Если бы то же число частиц двигалось вокруг в беспорядке, то излучение... было бы значительно больше». Явление радиоактивности, как считал Томсон, показывает, что в атоме могут происходить изменения. Далее он решает задачу о распределении корпускул в атоме.
Вначале Томсон рассматривает случай, когда электроны находятся в покое. Задача заключалась в том, чтобы найти такое расположение электронов в положительно заряженной сфере, при котором они находились бы в равновесии под действием сил притяжения со стороны сферы и сил отталкивания между собой. В случае одного электрона он получает простую комбинацию «атома Эпинуса»: два электрона располагаются в сфере по прямой линии, проходящей через центр. «При таком расположении,— пишет Томсон,— отталкивание ... впЬлне уравновешивается притяжением положительного электричества, и... равновесие будет устойчивое». Расстояние между электронами в этом случае равнялось радиусу сферы.
