Как люди узнали и увидели атомы

Элементарные частицы невозможно рассмотреть из-за их размера, который в несколько раз меньше длины световой волны. Перед тем как увидеть атом, учёным пришлось создать множество научных теорий и специальное оборудование — сканирующий туннельный микроскоп. Этот прибор помогает человеку заглянуть за грань неизвестности.

Как увидели атомы

Становление атомной теории

Древнегреческий учёный Демокрит (460- 370 гг. до н. э.) впервые задумался над вопросом о существовании неделимых материальных частиц. Он назвал их атомы, что в переводе означает неделимые. К сожалению, позже эта теория проиграла другой популярной, но ошибочной концепции о строении физического мира. Суть её заключалась в утверждении, что всё во вселенной состоит из четырёх стихий: огня, воды, земли и воздуха. Человечество вновь вернулось к идее об атоме лишь на закате средневековья.

Известный английский учёный Джон Дальтон (1766−1844) стал первым сторонником атомной концепции строения вещества. Основные заслуги:

  • выдвинул основные постулаты атомной теории вещества;
  • впервые вычислил атомные массы некоторых химических элементов;
  • создал первую в мире таблицу относительных атомных масс;
  • ввёл понятие атомного веса.

История появления атома

Этот выдающийся деятель науки в начале XVII века доказал существование неделимых материальных частиц. Российским сторонником корпускулярной теории был известнейший учёный Михаил Васильевич Ломоносов (1711−1765). Он утверждал, что все вещества состоят из корпускул (молекул), а наблюдаемое людьми тело — движение этих частиц.

В сентябре 1860 года проходит Международный съезд химиков в германском городе Карлсруэ. В этой конференции участвовало более 120 учёных из разных стран. Горячо обсуждалась возможность познания неделимой частицы. Чётко разграничились определения и понятия атома, молекулы и эквивалента. Общим итогом стало безусловное утверждение атомно-молекулярной теории в научном сообществе.

Психологический эксперимент выявил эффективность маскировки Супермена

Открытие Дальтона стало основой для создания периодического закона и таблицы химических элементов Дмитрия Менделеева. На тот момент стало понятно, что атомы различных веществ отличаются друг от друга по массе и свойствам. Однако, так как частица считалась неделимой, а увидеть её не было возможности, оставалось непонятным, как это происходит.

В физике того времени была принята абстрактная модель атома в виде шара, невероятно маленького размера. Мысль о том, что неделимая частица может состоять из каких-либо составляющих, большинством учёных считалась противоречивой и абсурдной.

Что такое атом

Открытие и дальнейшее изучение электричества поставило перед физиками ряд вопросов. Было непонятно, как оно передаётся и благодаря чему это происходит. Учёные, проводя исследование катодных лучей, определили, что атом состоит из положительных и отрицательных частей — протонов и электронов.

Радиоактивность и планетарная концепция

Антуан Анри Беккерель впервые обнаружил радиоактивность. Случайно завернув соль урана в фотобумагу, учёный увидел на ней засвеченные следы неизвестного излучения. Позже выяснилось, что эти загадочные лучи состоят из ядер гелия (альфа-частицы), электронов (бета) и очень коротких радиоволн (гамма).

Огромный вклад в открытие новых радиоактивных элементов внесли супруги Мария и Пьер Кюри. За свой вклад в науку они были удостоены Нобелевской премии. В начале XX века Джозеф Джон Томсон (1856−1940) выдвинул пудинговую модель. Она описал атом как положительную частицу с вкраплением отрицательных электронов, словно изюм в пудинге. Эта модель стала первой концепцией, ставящей под сомнение неделимость атома.

Японский корабль "Тикю" найдет потерянный континент

Выдающийся физик Эрнест Резерфорд работал над созданием другой модели, для этого он провёл очень интересный эксперимент:

  1. Радиоактивный источник излучает направленный пучок альфа-частиц на специальный экран.
  2. Между источником и экраном располагается лист золотой фольги.
  3. При помощи микроскопа регистрируются места попадания частиц на экран.

Ученный открывший атом

В случае подтверждения пудинговой модели ожидалось увидеть равномерное рассеивание частиц по всей плоскости экрана. Однако результаты потрясли учёных. Бо́льшая часть альфа-излучения прошла сквозь золото без каких-либо изменений. Но отдельные частицы очень сильно отклонялись или отбрасывались назад, словно натыкаясь на что-то непреодолимое и очень тяжёлое.

В результате была создана планетарная модель. Она предполагала наличие в центре компактного и тяжёлого ядра с положительным зарядом. В центре была сосредоточена основная масса атома. По круговым орбитам, словно планеты вокруг солнца, вращаются отрицательные электроны. Планетарная концепция атома имела один существенный недостаток: оставалось непонятным, благодаря чему электроны вращаются вокруг ядра. Согласно законам физики, они должны были упасть на положительно заряженный центр.

Квантовая модель

Первые шаги в создании квантовой теории сделал известный физик Нильс Бор (1865−1962). В своей книге «Строение атома» он рассказал, что электроны непохожи на планеты, вращающиеся вокруг солнца. Отрицательно заряженные частицы создают облака, занимающие определённое пространство вокруг ядра. Вращаясь на стационарной орбите, электрон не теряет энергию и не может упасть на ядро. Скачок с одного уровня на другой сопровождается излучением или поглощением определённой порции энергии — кванта.

Как появилась и развивалась Земля

Таким образом, был сделан рывок к современному видению структуры атома. Однако модель имела существенные недостатки:

  • интенсивность линий спектра осталась не объяснённой;
  • подходит только для атомов водорода;
  • в основе лежит противоречие между квантовой и классической физикой.

В 1932 году физик сэр Джеймс Чедвик совершает открытие ещё одной составляющей ядра — нейтрона, который не несёт заряда, благодаря этому он может вплотную приблизиться к ядру атома и стать причиной его распада. Это открытие стало началом ядерной эры человечества. Позже советский учёный Дмитрий Иваненко (1904−1994) создаёт протон — нейтронную модель ядра. Первое масштабное применение энергии, выделяющейся при распаде ядра, произошло в 1945 году при бомбардировке японского города Хиросима.

Современная модель атома:

Состав атома

  1. Электрон является материальной частицей, имеющей массу и электрический заряд, но двигаясь, он ведёт себя как волна, длина которой зависит от скорости его перемещения.
  2. К электрону применим принцип неопределённости. Нельзя одновременно узнать его местоположение в трёхмерном пространстве и измерить скорость движения.
  3. Не существует чётких орбит для электронов. Фактически, отрицательно заряженная частица может находиться в любой точке пространства вокруг ядра.
  4. Орбиталь — это область пространства, в которой наблюдается наибольшая вероятность нахождения электрона.
  5. Атомные ядра построены из нуклонов двух видов — протонов и нейтронов.

Номер химического элемента в таблице Менделеева соответствует количеству нейтронов в ядре. Масса элемента рассчитывается из общей суммы нуклонов. Поведение элементарных частиц в атоме описывается при помощи нового раздела физики — квантовой механики.

Увидеть атомы по отдельности

Сегодня каждый школьник знает о существовании атомов. Учёными создано множество теорий, описывающих поведение элементарных частиц. Существуют формулы и уравнения, позволяющие вычислить массу, размер и скорость протонов, нейтронов и электронов. Но как можно всё это увидеть своими глазами?

Японским учёным удалось создать осязаемую голограмму

Человеческий глаз способен различать объекты не менее 0,05 мм, но атом намного меньше. Если увеличить его до размеров клубники, то ягода будет своим размером превосходить Землю. Выходит, что увидеть элементарные частицы можно только в микроскоп. Бывают следующие типы приборов:

Из чего состоит атом

  1. Оптический. Чтобы увидеть объект в такой микроскоп, его необходимо осветить. Длина волны видимого спектра намного превышает размер атома. Из-за этого она огибает его либо отражается, не передавая структуру поверхности.
  2. Электронный микроскоп для освещения использует поток отрицательно заряженных частиц. Длина волны такого излучения в тысячу раз меньше, чем у обычного света. Выходит, что дифракционный предел такого прибора позволяет разглядеть отдельные атомы и молекулы.
  3. Сканирующий зондовый микроскоп. Он состоит из микроскопической иглы с заострённым концом. Тончайшее остриё движется вдоль исследуемой поверхности и взаимодействует с каждым её атомом, словно ощупывая его. Информация обрабатывается компьютером и создаётся достоверное изображение.

С помощью зондовых микроскопов можно рассмотреть не только отдельные атомы, но даже форму электронных облаков. Первым человеком, увидевшим атомы, стал создатель электронного микроскопа Эрвин Мюллер, это произошло в середине прошлого столетия.

Spread the love

One comment

  1. александр

    В общем где то так.Как то не эстетично научно звучит гамма радиоволны?!И то и то эл.магнитные волны с разной частотой в том числе видимый свет.Гамма излучение просто имеет гораздо большую частоту,жесткое эл.магн.излучение.Атомы и сейчас нельзя увидеть ни в какой микроскоп.Можно увидеть только очень большие органические молекулы,но это практически для изучения атома не имеет значения.Его изучение идет гораздо более эффективными приборами и результаты более чем впечатляющи.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.