Jaume Navarro - Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

«Атомы элементов состоят из некоторого числа отрицательно заряженных корпускул, скрытых в сфере однородного положительного заряда».

Это известно как пудинговая модель. Конечно же, не сам Томсон так ее окрестил; более того, название может ввести в заблуждение. И изюминки, и сам пудинг материальны, хотя и имеют различные свойства. В случае с атомом Томсона единственной материей была та, которую составляли электроны. При этом вопрос о числе электронов в каждом атоме довольно прост: если учитывать, что масса каждого электрона (все они равны) в 2000 раз меньше массы самого маленького атома (атома водорода), можно сделать вывод, что внутри каждого атома должны содержаться сотни электронов (около 2000 в случае с водородом или около 32000 в случае с кислородом).

Нельзя не отметить красоту и простоту этой модели атома. С помощью единственного типа частиц, электронов, объяснялась и масса, и заряд атомов. Томсон представлял, что электроны могут образовывать стабильные структуры в форме более или менее концентрических сфер. Только внешние электроны определяют такие физические и химические свойства элементов, как присутствие ионов (атомов с положительным или отрицательным зарядом) в химической связи.

Исследование в прикладной науке ведет к реформам, исследование в чистой науке ведет к революциям.

Джозеф Джон Томсон

Однако иллюзия Томсона длилась недолго. К концу 1905 года некоторые экспериментальные результаты косвенно указали на то, что число электронов в каждом атоме не превышает нескольких десятков. Это означало, что большая часть массы атомов не может состоять в его электронах, а должна быть в части положительного электричества. В чем же тогда заключалась эта положительно заряженная часть атома? Здесь Томсон приступил к исследованию положительных ионов, то есть атомов, потерявших один или несколько электронов, в поисках ключа, который позволил бы понять положительную часть атома.

Но с уменьшением числа электронов проявилась фундаментальная проблема, которую методы физики XIX века не объясняли: нестабильность атома, вызванная излучением электронов. Дело в том, что движение электрически заряженных частиц (электронов) производит множество неожиданных эффектов. Нас интересует потеря энергии при излучении, вызванном их скоростью, а также потеря скорости, вызванная сопротивлением среды.

Чтобы представить себе стабильные конфигурации электронов в море положительного электричества, требовалось, чтобы электроны двигались на больших скоростях; тогда они испускали бы электромагнитное излучение и в результате теряли энергию и скорость и падали в центр атома, который утрачивал бы свои обычные свойства. Когда считалось, что в атоме тысячи электронов, потеря энергии при излучении не представлялась проблемой: электронов было достаточно для того, чтобы энергия одних поглощалась другими и атом мог оставаться стабильным. Но когда число электронов в атоме значительно сократилось, подобная компенсация оказалась абсолютно невозможной, а значит, нельзя было представить стабильный атом. С этой же проблемой в ином контексте сталкивались многие физики того времени, и решил ее только Эйнштейн в статье 1905 года <���К электродинамике движущихся тел*, заложившей основы специальной теории относительности.

Одной из актуальных тем в физике в 1911 году были эксперименты Резерфорда и, что самое важное, их истолкование самим новозеландским исследователем. Резерфорд создал в Манчестере школу «радиоактивистов» — исследовательское отделение, сосредоточенное в основном на экспериментальном изучении радиоактивности. Речь шла о явлении, открытом Анри Беккерелем (1852-1908) и супругами Пьером (1859- 1906) и Марией (1867-1934) Кюри, о котором — в отношении его эффектов, свойств и глубинной природы — было известно очень мало.

Уже в 1899 году Резерфорд понял, что речь идет не об одном, а о трех типах излучения, которые различаются электрическим зарядом и способностью проникновения в материю. Он обозначил их первыми тремя буквами греческого алфавита в порядке возрастания энергии: альфа-излучение (а) — с положительным электрическим зарядом, отрицательно заряженное бета-излучение (Р) и гамма-излучение (у), не имеющее заряда. Кроме того, первые два вида излучения явно состояли из корпускул — частиц, обладающих массой. Альфа-частицы имели массу, похожую на массу атома гелия, а бета-частицы... были электронами!