Пути развития химии. Том 2. От начала промышленной революции до первой четверти XX века

В конце XIX — начале XX вв. были сделаны и другие открытия, которые заставили многих физиков сомневаться в правильности атомистических представлений. Среди них следует назвать, например, открытие Генрихом Рудольфом Герцем в 1888 г. фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта): при облучении катода ультрафиолетовым светом наблюдается (даже при слабом напряжении) довольно сильный электрический разряд между двумя электродами. В 1898 г. Дж. Дж. Томсон обнаружил, что металлические пластины, облученные ультрафиолетовым светом, испускают отрицательные заряды. Спустя четыре года Филипп Эдуард А. Ленард[114] показал, что фотоэлектрический эффект заключается в "выбивании" электронов из металла, при этом нет необходимости в наложении внешнего электрического поля. Ленард представлял атом в виде облака, состоящего из положительных и отрицательных частиц. Дальнейшие исследования показали, что каждое вещество обладает определенным фотоэлектрическим порогом, который, например, у натрия лежит около 6500 А. Выбиваемые электроны, названные фотоэлектронами, приобретают кинетическую энергию, величина которой зависит от длины волны падающего света.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн дал объяснение фотоэлектрического эффекта: кванты света, или фотоны, попадают на металл и их энергия вызывает испускание фотоэлектронов. При поглощении металлами света энергия фотонов превращается в энергию фотоэлектронов. Фотоэлектрон использует часть энергии, чтобы оторваться от металла, а остальная энергия остается у фотоэлектрона в виде кинетической.

Фредерик Содди (1877-1956)

Открытие рентгеновских лучей и особенно радиоактивности дало дальнейший толчок для критического переосмысления существующей атомистической теории. Превращение радиоактивных элементов в другие элементы показало, что существуют атомы, которые можно разделить, что противоречило всему накопленному к тому времени опыту, а также самому определению понятия "атом".

В 1902 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди смогли доказать, что в результате. излучения атомом урана α-частиц возникает новый атом с иными радиоактивными признаками. Последний атом в результате радиоактивного распада превращается в другой атом и т.д. Вскоре после этого (в 1904 г.) Резерфорд установил период полураспада радиоактивных веществ; оказалось, что для разных элементов он очень различен: некоторые радиоактивные элементы распадаются уже в течение секунд, другие "живут" миллион лет.

Теоретическое объяснение нового явления было сделано главным образом в работах Резерфорда.

Эрнест Резерфорд (1871-1937)

Эрнест Резерфорд родился в 1871 г. в г. Нелсоне (Новая Зеландия). В 1898 г. он стал профессором Монреальского университета (Канада), а в 1919 г.- директором Кавендишской лаборатории в Кембридже

[115].

В 1906 г. Резерфорд выполнил исследование, которое привело к созданию нового представления об атоме. Еще ранее (в 1903 г.) Томсон предложил одну из первых атомных моделей: атом — положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее электронами. Сумма отрицательных зарядов этих электронов определяет равный по величине положительный заряд атомной сферы[116]. В соответствии с этим присоединение или отдача электронов приводит к появлению отрицательного или положительного заряда на атоме. Резерфорд провел бомбардировку золотой фольги α-частицами, чтобы выяснить, будут ли частицы, проходя через фольгу, менять траекторию движения. Если бы атомы золота имели шарообразную форму и заметные размеры, то α-частицы должны были бы отскакивать от них и изменять свое направление (по аналогии со столкновением бильярдных шаров). Толщина золотой фольги была такова, что α-частицы должны были пройти через слой в ~1000 атомов. Однако выяснилось, что из сотен тысяч α-частиц только отдельные изменяют траекторию. Поэтому Резерфорд сделал вывод, что атом имеет ядро, диаметр которого должен быть в 100 000 000 раз меньше диаметра всего атома[117]

. Если попытаться представить себе это соотношение и предположить, что по величине атом равен небольшому мячу, то почти вся масса атома должна быть сосредоточена в его ядре размером в песчинку диаметром ¹/₂₀ мм. В этом масштабе а-частица тоже имела бы размеры такой песчинки, и поэтому вероятность ее столкновения с атомным ядром очень незначительна.

Следует еще добавить, что в опыте, проведенном Резерфорд ом в 1906 г., электроны вряд ли могли играть какую-либо роль, так как они намного легче α-частиц. После работ Резерфорда ученые стали представлять атом состоящим из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Макс фон Лауэ (1879-1960)