Главная Ходовая

Реферат история открытия электрона. История открытия электрона Кто в 1897 году открыл электрон

Гипотеза о существовании атомов, тех неделимых частиц, различные конфигурации которых в пустоте образуют окружающий нас объективный мир, так же стара, как и наша цивилизация:

«На тела основные природа все разлагает» .

Твердые, обладающие массой и неделимые атомы Ньютона; атомы в кинетической теории, средняя кинетическая энергия которых отождествляется с температурой тела; атомы в химии, стройные комбинации которых обнаруживаются в химических реакциях; водородный атом, из различных сочетаний которого Проут составлял все элементы. Понятие атома существует уже по крайней мере 25 столетий, хотя часто оно отодвигалось на второй план или было в загоне.

Но что такое атом? И какой смысл следует вкладывать в этот вопрос? К концу девятнадцатого века, когда завершилось создание классической теории и появились новые технические средства, все

настойчивее стал звучать старый вопрос: какова природа атома? Эта тема и ее вариации стали лейтмотивом физики двадцатого столетия.

На исходе девятнадцатого века было проведено много опытов по изучению электрического разряда в разреженных газах. Разряд возбуждался (с помощью индукционной катушки или электростатической машины, создающих большие разности потенциалов) между отрицательным электродом, названным катодом, и положительным электродом, названным анодом, причем оба электрода запаивались внутрь стеклянной трубки, из которой был откачан воздух. Когда воздух в трубке становился достаточно разреженным, темная область вокруг катода, известная под названием темного круксова пятна, постепенно расширялась, пока не достигала противоположного конца трубки, который начинал после этого светиться, причем цвет свечения зависел от сорта стекла, из которого была сделана трубка.

Если в трубку ввести различные экраны, например, как на фиг. 62, то светиться будет небольшое пятно, расположенное на конце трубки, как будто что-то проходит через отверстия в экране и, достигая стекла, вынуждает его светиться. Это что-то окрестили катодными лучами.

В конце девятнадцатого века происходили оживленные дискуссии о природе этих лучей. Некоторые считали, что лучи, подобно свету, обязаны своим происхождением процессам в эфире; другие же полагали, что они состоят из электрически заряженных частиц. В 1895 г. Жану Перрену удалось собрать эти лучи в изолированном сосуде и доказать, что они несут отрицательный заряд. Вскоре после этого Дж. Дж. Томсон осуществил свой классический эксперимент, в котором он впервые отождествил катодные лучи с частицами, названными позднее электронами. Он писал:

«Эксперименты, описанные в этой статье, были проведены с целью получения некоторой информации о природе катодных лучей. По поводу этих лучей существуют совершенно противоположные точки зрения; согласно почти единодушному мнению германских физиков, они вызываются какими-то процессами в эфире, которым - ввиду того, что их путь в однородном магнитном поле является не прямолинейным, а круговым - ни в одном из ранее наблюдавшихся явлений нет аналога; согласно

другому мнению, эти лучи далеко не эфирного происхождения, а материального и являются просто потоком частиц материи, заряженных отрицательным электричеством» .

Фиг. 63. Схема установки Томсона (взято из ).

Создавая электрическое поле между пластинами, обозначенными на фиг. 63 буквами и или магнитное поле, направленное перпендикулярно направлению распространения лучей, Томсон наблюдал смещение светящегося пятна на конце трубки; чем сильнее были электрическое или магнитное поля, тем больше смещалось пятно. Убедившись, что это явление не зависит от того, какой газ находится в трубке, Томсон писал:

«Поскольку катодные лучи несут отрицательный заряд, отклоняются под действием электростатической силы, как если бы они были отрицательно заряженными, и реагируют на магнитную силу точно так же, как реагировали бы на нее отрицательно заряженные тела, двигавшиеся вдоль линии распространения лучей, я не могу не прийти к заключению, что катодные лучи суть заряды отрицательного электричества, переносимые частицами материи. Тогда встает вопрос: что это за частицы? Являются ли они атомами, молекулами или материей в более тонком состоянии разделения? С целью пролить некоторый свет на этот вопрос я провел целый ряд измерений отношения массы этих частиц к величине заряда, переносимого ими» .

В то же самое время сила, действующая на заряженную частицу со стороны магнитного поля В, перпендикулярного направлению ее движения:

Если, например, частица заряжена отрицательно, а электрическое поле направлено от к то электрическая сила будет отклонять частицу вниз. Магнитная же сила, действующая на частицу, которая движется в магнитном поле, направленном так, как показано на фиг. 64, будет отклонять частицу вверх: Поэтому, подбирая напряженности электрического и магнитного полей так, чтобы светящееся пятно оставалось несмещенным, Томсон тем самым выравнивал силы, действующие на частицы со стороны электрического и магнитного полей:

Отсюда он узнавал скорость гипотетических частиц. Затем, выключая электрическое поле и варьируя напряженность магнитного поля, он мог изменять величину отклонения частиц в конце трубки. Зная время, в течение которого частицы находились в магнитном поле (так как он знал их скорость), Томсон тем самым мог рассчитать действие на них этого поля. Отсюда по измеренной величине отклонения ему удалось определить отношение заряда частиц к их массе.

В конце концов он получил следующую величину отношения массы к заряду для своих гипотетических частиц

В заключение Томсон писал:

«Из этих измерений видно, что величина не зависит от природы газа, а ее значение очень мало по сравнению с величиной являющейся наименьшим из ранее известных значений для этого отношения и относящейся к ионам водорода, которые участвуют в электролизе.

Таким образом, величина отношений для носителей электричества в катодных лучах значительно меньше, чем соответствующая величина в электролизе. Малость объясняется либо малостью либо большим значением либо и тем и другим одновременно» .

Этот носитель электричества, активная составная частица катодных лучей, был назван со временем электроном, который явился первой элементарной частицей двадцатого столетия.

Позднее Томсон писал:

«Моя первая попытка отклонить пучок катодных лучей состояла в пропускании их между двумя параллельными металлическими пластинами, укрепленными внутри разрядной трубки, и возбуждении электрического поля между этими пластинами. Таким способом получить регулярное отклонение мне не удалось... Отсутствие отклонения объяснялось наличием в трубке газа (давление оставалось слишком высоким), поэтому было необходимо получить более высокий вакуум. Но это было легче сказать, чем осуществить. Техника получения высокого вакуума в те дни находилась в зачаточном состоянии» .

Уже не в первый раз осуществление решающего эксперимента наталкивалось не на трудности его идейного замысла, а на отсутствие необходимых технических средств.

После измерений Томсона чрезвычайно важно было определить либо величину заряда, либо массу этих частиц по отдельности. Заряд газообразных ионов, измеренный ранее в лаборатории Томсона, равнялся примерно Полагая, что заряд этих ионов такой же, как и заряд, переносимый катодной частицей, нетрудно показать, что масса этих частиц чрезвычайно мала:

В те годы Томсон называл катодные частицы «корпускулами», или изначальными атомами; слово «электрон» использовалось им для обозначения количества заряда, переносимого «корпускулой». Однако со временем электроном стали называть саму частицу. Значительно позднее (в 1909 г.) Милликен, измеряя величину заряда на капельках масла, установил, что элементарный заряд (предполагалось, что его величина такая же, как и заряд электрона) равен приблизительно Приведем современные значения заряда и массы электрона:

На этот счет существует полная разноголосица. Одни из историков науки связывают открытие электрона с именами Г. Лоренца и П. Зеемана, другие приписывают его Э. Вихерту, третьи - прочим исследователям, большинство же настаивает на приоритете Джозефа Джона Томсона, или великого Джи-Джи, как его еще иначе называют в научном мире.

Даже самые крупные авторитеты, вплотную занимающиеся проблемами атомной физики, пребывают в полной растерянности, кому же принадлежит честь первооткрывателя? Выдающийся физик-теоретик Н. Бор убежден в приоритете Ф.Э.А.Ленарда, а непревзойденный физик-экспериментатор Э. Резерфорд - Ф.Кауфмана.

Во времени же спорный период фактического открытия электрона простирается на 28 лет: с 1871 по 1899 год. Кто же стоял у истоков этого значительного открытия, породившего столь долгие научные баталии, когда не на шутку ломались копья? Причем в обстановке, когда некоторые из спорщиков уже успели наломать слишком много дров. Кто-то из них был занят научными поисками, а кто-то научными происками. Совсем как в дискуссиях по выяснению природы света.

Поначалу, в 1894 году, схватились между собой крупный немецкий естествоиспытатель Герман Людвиг Гельмгольц и его научный противник ирландец Джордж Стоуни. Каждый из них приписывал приоритет открытия электрона себе. Стоуни при всем честном народе обвинил Гельмгольца в явном плагиате, опубликовав обличающие его факты в статье "Об электроне или атоме электричества", которая появилась в одном из номеров журнала "Философикс мэгазин" (1894, уо1.38, Р.418). Насколько же это обвинение отвечало истине?

За двенадцать лет до этой публикации в том же журнале (1882, vol.11, Р.361) Стоуни поместил работу, в которой излагал свои воззрения на предмет существования электрона, утверждая, что "на каждую разорванную химическую связь в электролите приходится определенное, одинаковое во всех случаях, количество электричества".

Не прошло и двух месяцев, как в журнале, издаваемом Химическим обществом, появилась статья Гельмгольца, объявляющая об открытии им электрона. В ней говорилось: "Если считать верной идею об атомном строении простых веществ, то нельзя избежать вывода о том, что и электричество, как отрицательное, так и положительное, разделено на элементарные порции, которые держатся как атомы электричества".

Знал ли Гельмгольц о труде Стоуни, когда писал эти строки? Судя по всему, не мог не знать. Тоща не поддается объяснению, зачем, спекулируя своим авторитетом, он при каждом удобном случае буквально давил Стоуни, постоянно выдавая его приоритет за свой? Ради приумножения славы? Но Гельмгольц и так довольно часто купался в ее лучах. У Стоуни же ввиду погруженности в "электронную" идею, которую он продолжал развивать, на нейтрализацию раздражителя в лице Гельмгольца просто не хватало времени.

Ее разработка поглотила его настолько, что он не только сумел дать количественную оценку наименьшего электрического заряда, настояв на его включение в число фундаментальных природных постоянных величин, но и придумал название стабильное отрицательно заряженной элементарной частице - "электрон".

Видимо, затаенная зависть к прорыву трудяги - Стоуни в будущее науки понудила Гельмгольца сначала повсюду нападать на своего коллегу, а затем благоразумно отмалчиваться. Трудно предугадать, активным действием, противодействием или бездействием лучше всего удастся одолеть противника. Вот он временно и замолчал.

Однако, если перевести стрелки часов еще немного назад, то затевать борьбу за научное лидерство вообще не имело смысла, так как при дотошном изучении истории вопроса на поверхность всплыли еще два имени. Оказывается, в 1878 году до Стоуни один из столпов физической науки голландец Гендрик Лоренц уже обрати я внимание ученых кругов на идею дискретности электрических зарядов, а за семь лет до Лоренца об электроне заговорил немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер, предвосхитивший исследования ирландца, да и всех других своих последователей. Вебер, например, с удивительной прозорливостью утверждал: "… при всеобщем распространении электричества допустимо воспринять, что с каждым атомом вещества связан электрический атом". Может, он и должен был удостоиться почетных лавров?

Навряд ли. Ведь одно дело высказать ценную идею, другое - всемерно способствовать ее развитию. И поэтому без зазрения совести приоритет в теоретическом обосновании существования электрона, фактически в предсказании отрицательно заряженной элементарной частицы, можно смело отдать ирландцу Стоуни, имя которого, к сожалению, нигде не упоминается: ни в справочниках, ни в энциклопедиях.

Кстати, за приоритетное право открытия электрона сражались не только теоретики, но и экспериментаторы, выясняя, кто обнаружил отрицательно заряженную частицу экспериментальным путем? Сегодня каждому школьнику известно имя Дж. Дж. Томсона, который, по утверждению большинства летописцев науки, и есть истинный "родитель" электрона. Именно за это сногсшибательное открытие ему была в 1906 году присуждена Нобелевская премия.

Приоритет считается бесспорным, хотя на самом деле историческая реальность ему противоречит. Чтобы в этом убедиться, достаточно взять в руки журнал Кенигсбергского университета за январь 1897 года, где печатались новейшие исследования в области химии и физики. В январском томе 38 на странице 12 этого периодического издания была помещена статья немецкого физика Эмиля Вихерта, недвусмысленно утверждающая приоритет в экспериментальном открытии электрона за ним.

Томсон доложил о том же самом открытии ученому совету Королевского института Англии двумя месяцами позже - 30 апреля 1897 года, а первая его публикация с подробным изложением этого вопроса вообще появилась только в мае. С нею познакомил ученых журнал "Электришн" (1897, уо1.39, Р.104).

Таким образом, Вихерт на пять месяцев опередил великого Джи-Джи. Но кого интересовала хронология событий, когда речь шла о работе непререкаемого в научном мире авторитета? Тут - то мы и возвращаемся к вопросу, что все-таки следует принимать за точку отсчета в распределении интеллектуальной собственности: саму идею, ее развитие и обоснование, или включающий в себя и то, и другое пионерский печатный труд?

Думается, в любом случае хронологический порядок вхождения открытия или изобретения во власть, игнорировать нельзя. Даже при условии, что изначально существовала гипотеза, которой было необходимо "отстояться" во времени и умах. Поэтому в той же, если не большей степени, чем Стоуни, Вебер и знаменитый Томсон, к открытию электрона причастен мало кому известный Вихерт.

Но только в немногих специальных справочниках можно прочесть, что независимо от Дж. Дж. Томсона этот физик открыл электрон и определил его относительный заряд. На этом примере мы убеждаемся, какой реальной силой в науке обладает сила авторитета.

В данной статье даётся тезисное изложение исторического процесса открытия электрона. Акцент делается на ошибки, допущенные в данном процессе, ставшие одной из причин кризиса теоретической физики ХХ века.

Введение. «День 30 апреля 1897 года официально считается днем рождения первой элементарной частицы — электрона. В этот день глава Кавендишской лаборатории и член Лондонского королевского общества Джозеф Джон Томсон сделал историческое сообщение «Катодные лучи» в Королевском институте Великобритании, в котором объявил, что его многолетние исследования электрического разряда в газе при низком давлении завершилось выяснением природы катодных лучей.»

Важность этого события несомненна для теоретической физики ХХ столетия. Дж. Дж. Томсоном ( - г.г.) впервые была дана оценка величины массы и электрического заряда частиц катодных лучей, позднее отождествленных с электроном. В современной физике масса и заряд электрона являются фундаментальными константами и служат основой определения многих других . Фундаментальные константы входят в уравнения из самых различных областей физики, демонстрируя тем самым свою универсальную природу. В силу этого эти константы являются основным инструментом, позволяющим сравнить теорию с экспериментом. Однако, появление все возрастающего количества работ, научных и “дилетанских“, о некорректности интерпретаций различных физических явлений , о непостоянстве фундаментальных постоянных и неспособности классических теорий описать физические явления показывает о наличии кризиса современной теоретической физики.

История открытия электрона — это прежде всего история почти трехсотлетней дискуссии о природе электричества. «Скажите мне, что такое электричество, и я объясню Вам все остальное» — эти слова старейшины классической физики Вильяма Томсона не были броской фразой. Электричество было величайшей проблемой физики ХIХ века, а стало еще большей проблемой не только физики ХХ века, но и начала ХХI века.

Открытие электрона стало итогом многолетней работы Томсона и его сотрудников. Ни Томсон, ни кто-либо другой никогда не наблюдали электрон в буквальном смысле, никому не удалось выделить отдельную частицу из пучка катодных лучей и измерить ее удельный заряд. Автором открытия является Дж. Дж. Томсон потому, что его представления об электроне были близки к современным .

Согласно современным представлениям традиционной физики элементарных частиц : электрон - стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Заряд электрона равен −1,602176487(40)×10 −19 Кл (или −4,80320427(13)×10 −10 ед. СГСЭ в системе СГС); масса примерно в 1836 раз меньше массы протона и равна 9,10938356(11)· 10 −31 кг.

Электрон считается неделимым и бесструктурным (как минимум до расстояний 10 −17 см), участвует в слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях.

Примерами участия электрона в слабых взаимодействиях являются бета-распад и электронный захват.

Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме.

Выше изложенные представления об электроне гипотетичны и противоречивы. Масса электрона определяется как часть массы другой частицы - протона, чья масса, в свою очередь, является функцией структуры ядра атома вещества. Никто еще не привел доказательства, что электрический заряд электрона отрицательный и соответствует выше приведенному значению (1,602176487(40)×10 −19 Кл). Если электрон является основным структурным элементом атома вещества, то он не может быть свободным, а значит не может обуславливать электрический ток в проводнике и др. явления.

Данные замечания позволяют говорить о мифичности (система фантастических представлений о мире) открытия электрона, несмотря на то, что определена дата открытия и назначен его первооткрыватель.

История открытия электрона. История открытия электрона хорошо изучена, отшлифована и приведена в соответствие с современными представлениями об электроне. Если бы она в действительности была бы такой как есть, то, исходя из значимости электрона для физики, не стоял бы сегодня вопрос о кризисе теоретической физики.

Как было изложено выше история открытия электрона — это прежде всего история почти трехсотлетней дискуссии о природе электричества.

Первые представления об электричестве связывают с Древней Грецией, а именно с древне-греческим философом Фалесом Милетским (640 – 550 г.г. до н.э.), которому уже было известно свойство янтаря (др.-греч. ἤλεκτρον: электрон), натертого мехом или шерстью, притягивать легкие предметы . Упадок античной культуры заметно отразился на изучении электрических явлений. Из многочисленных источников следует, что практически до 1600 г. не было сделано ни одного открытия в области электрических явлений . Значительный перелом в представлениях об электрических явлениях наступил в самом начале ХVII в., когда вышел в свет фундаментальный труд видного английского ученого Вильяма Гильберта (1554 – 1603 г.г.) ”О магните, магнитных телах и большом магните — Земле ” (1600 г.), в котором появился термин электричество («янтарность»). Пытаясь объяснить способность предметов притягивать другие более лёгкие, Гильберт считал электрические явления “истечениями” тончайшей жидкости, которая вследствие трения выливается на предметы и непосредственно действует на другой предмет.

Представления о том, что электрические явления обусловлены присутствием особой “электрической жидкости ”, аналогичной “теплотвору ” и “светотвору ”, были характерны для науки того периода, когда механистические взгляды на многие явления были господствующими.

Важным и вполне закономерным шагом на пути изучения электрических явлений был переход от качественных наблюдений к установлению количественных связей и закономерностей, к разработке основ электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан американским ученым Б. Франклином (1706 -1790 г.г.) и петербургскими академиками М. В. Ломоносовым (1711 – 1765 г.г.) и Г.В. Рихманом (1711 – 1753 г.г.) .

Франклин является автором первой теории об электричестве, так называемой “унитарной теории ” электричества («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 г.). Он пришел к выводу, что электричество представляет собой жидкость (только одного рода), состоящую из “чрезвычайно неуловимых частиц” . Таким образом, он впервые высказал правильное предположение о материальном характере электричества. Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда. Согласно его представлениям, когда янтарную палочку натирают мехом, часть электричества переносится от палочки к меху, порождая недостаток электричества на янтарной палочке и его избыток на мехе. Недостаток электричества Франклин определил, как отрицательное электричество, а избыток - как положительное. Количество электричества (положительного или отрицательного), заключенного в любом теле, он назвал электрическим зарядом тела. Франклин ввел также фундаментальную гипотезу – закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд никогда не возникает (из ничего) и не исчезает – он только передается (от одного тела к другому).

В представлении Франклина понятия отрицательное и положительное электричество понимаются как его недостаток и избыток, что не тождественно математическому понятию меньше нуля или больше нуля. С течением времени представления Франклина о положительном и отрицательном электричестве (заряде) бездоказательно трансформировались в математическое понятия больше или меньше нуля, что в дальнейшем привело к существенной ошибке в представлении электрона, как отрицательно заряженной элементарной частицы. (Курсив - комментарий автора)

Свои воззрения на электричество Ломоносов сформулировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся в виде тезисов труде “Теория электричества, разработанная математическим путем”. В отличие от большинства своих современников Ломоносов полностью отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира . “Эфирная” теория электричества, разработанная Ломоносовым, явилась новым шагом к материалистическому объяснению явлений природы. Эфирной теории придерживались многие крупнейшие ученые ХIХ в., в том числе и М. Фарадей (1791 — 1867 г.г.).

В 1911 году на основании анализа и статистической обработке результатов экспериментов по рассеиванию α-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных Гейгером и Марсденом в 1909 г., Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома . Согласно этой модели атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, содержащего большую часть массы атома, и обращающихся вокруг него лёгких электронов.

Представленная хронология научных открытий конца ХIХ и начала ХХ в. демонстрирует прежде всего трансформацию содержания термина «электрон» — носителя электрического заряда, неустановленной физической природы, в электрон – структурный элемент атома вещества. Отождествление этих двух различных физических сущностей в одну и является грубейшей ошибкой физики начала ХХ в. Существенный вклад в этот процесс (отождествления) был привнесен работами с катодными лучами, выполненными рядом авторитетных ученых.

В 1838 году Фарадей, пропуская ток от электростатической машины через стеклянную трубку с воздухом при низком давлении, наблюдал фиолетовое свечение, исходящее из положительного электрода (анода). Это свечение распространялось почти до самого отрицательного электрода (катода) на другом конце трубки. Между светящимся катодом и фиолетовым свечением, исходящим из анода, он обнаружил темное пространство, которое теперь называют «фарадеевым темным пространством».

В 1859 году немецкий физик Ю. Плюккер ( - г.г.) обнаружил, что при понижении давления темное пространство в трубке увеличивается, а стекло вблизи катода начинает фосфоресцировать. Так были открыты катодные лучи (название дано Э. Гольдштейном), сыгравшие одну из важных ролей в последующем представлении физической природы электричества. При дальнейших опытах Плюккера с сотрудниками было установлено, что катодные лучи распространяются прямолинейно, отклоняются магнитным полем, свойства их не зависят от материала катода.

В дальнейшем в исследовании катодных лучей приняло участие множество знаменитых ученых и изобретателей : К. Варли, У. Крукс, А. Шустер, Г. Герц, Ф. Ленард, Ж. Перрен и др., приведшие к созданию корпускулярной и волновой теорий природы катодных лучей.

Немецкие физики, за редким исключением, были единодушны в утверждении, что катодные лучи представляют собой процесс в эфире — волновая гипотеза Гольдштейна; англичане, начиная с В. Крукса, считают, что они являются потоками частичек вещества. В 1895 г. французский физик Ж. Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем. Сторонники волновой теории не были обескуражены этим опытом. Они отнюдь не отрицают, говорили они, что катодом могут испускаться отрицательно заряженные частицы. Они отрицают лишь, что именно эти частицы и являются катодными лучами, т.е. теми особыми элементами, которые вызывают флуоресценцию стекла: пуля, вылетающая из винтовки, не имеет ничего общего со вспышкой света.

Факт отклонения в магнитном поле мало влияет на решение вопроса о природе катодных лучей. Согласно фарадей-максвелловским воззрениям, на эфир могут действовать магнитные силы.

В этих условиях в 1894 году к экспериментам с катодными лучами приступил Дж. Дж. Томсон с сотрудниками.

Необходимы были строгие количественные эксперименты, которые дали бы возможность определить отношение заряда к массе — е/m для катодных лучей. То, что измерение величины удельного заряда явится решающим фактом, впервые осознал Дж. Дж. Томсон. С 1895 г. он начинает методическое количественное изучение отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. Итоги своей работы Дж. Дж. Томсон резюмировал в большой статье, опубликованной в 1897 г. в октябрьском номере журнала » Philosophical Magazihe» (существо своих опытов и высказывание гипотезы о существовании материи в состоянии еще более тонкого дробления чем атомы Томсон изложил на вечернем заседании Королевского общества 29 апреля 1897 г. Извлечение из этого сообщения было опубликовано в «Electrican» 21 мая 1897 г.). Опыты Томсона дали следующие результаты: скорость частиц, возрастающая по мере увеличения разрежения в трубке, чрезвычайно велика, значительно больше средней скорости, приписываемой, согласно кинетической теории, молекулам остаточного газа в трубке (в одном из первых опытов 1897 г. Томсон нашел скорость равной 1/10 скорости света, но через десять лет он получил для нее значение 1/3 скорости света). Кроме того, эта скорость зависит от разности потенциалов, которую проходит заряд. Значение е/m оказалось не зависящим ни от состава остаточного газа, ни от формы трубки, ни от материала электродов, ни от скорости лучей, если только она не близка к скорости света, ни от каких-либо иных физических параметров. Другими словами, отношение е/m есть универсальная постоянная. Значение отношения е/m было порядка 107 СГСЭ. Аналогичное отношение е/m было уже подсчитано для иона водорода из данных по электролизу; оно оказалось равным 104 СГС Э. Дж. Дж. Томсон высказывает мнение, что катодные лучи представляют собой поток весьма малых частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, несущими такой же заряд, как и ионы Фарадея, но обладающими массой, которая в 1000 раз меньше массы самого легкого атома, т.е. атома водорода.

Для достоверного вывода необходимо прямое измерение заряда одновалентных газовых ионов. Важность проблемы заставляет взяться за измерение заряда иона самого Дж. Дж. Томсона. Он впервые использует рентгеновские лучи в качестве орудия физического эксперимента. Интересно отметить, что рентгеновское излучение было результатом исследования свойств катодных лучей. В свою очередь лучи Рентгена сыграли большую роль в изучении частиц, составляющих катодный луч и в открытии спонтанной радиоактивности.

Эксперименты Дж. Дж. Томсона дали среднее значение заряда иона, равное 6,5 x 10 -10 СГСЭ. Этот результат и укрепил убеждение Томсона в существовании «материи в состоянии более тонкого дробления».

По существу, единственно, что удалось Томсону добиться – это измерить отношение масса/заряд для каких-то неведомых частиц, составляющих катодные лучи. Тем не менее он решился сделать вывод, что эти частицы являются фундаментальными составными частями обычного вещества.

В действительности эксперименты, проведенные Томсоном в 1897 г. не давали основания утверждать, что внутри атома существуют более мелкие частицы. Впрочем, Томсон и не утверждал, что он доказал это. Однако, в своих результатах Томсон уловил нечто такое, что подвело его к этим далеко идущим выводам .

Ни в одной из своих работ Томсон не применил термин “электрон”. Разъяснение по поводу применения термина “электрон” для обозначения частиц, составляющих катодные лучи, дал Ленард ( - г.г.) в своей Нобелевской лекции от 28 мая 1908 г. (“О катодных лучах”): “… необходимо перечислить названия, данные этим частичкам электричества, или центрам состояния: я назвал их, элементарными квантами электричества или, короче, квантами, как и Гельмгольц; Дж. Дж. Томсон говорит о корпускулах, лорд Кельвин об электрионах; но в обиход вошло название, которое предпочли Лоренц и Зееман, электрон”.

Выводы. Современной физике известна только одна долгоживущая элементарная частица, которая перемещается в пространстве с около световыми скоростями. Это – фотон .

Из экспериментов с катодными лучами следует, что катодные лучи это поток фотонов.

Термин «фотон» введён химиком Гилбертом Льюисом ( - г.г.) в 1926 году .

Выше изложенная история открытия электрона фактически является историей открытия фотона. И первым, кто заявил об этом, является Дж. Стоней. Потому, что «электрон», под которым понимался носитель электрического заряда неустановленной физической природы эквивалентный электрическому заряду, переносимому одновалентным ионом и есть фотон.

Структурный элемент атома вещества электрон, использованный Резерфордом для модели атома вещества, не имеет той физической сущности, которая была определена Стоуни и даже Лоренцом. Таким образом, все проведенные эксперименты (ранее и позднее опытов группы Резерфорда) по определению, например, величины электрического заряда относятся к экспериментам с фотоном. Величина электрического заряда электрона и протона в настоящее время не определена.

История открытия электрона это история ряда ошибок и недоработок, которые мифологизировали не только само открытие электрона, но и превратили современную теоретическую физику в сборник легенд и мифов.

Релятивисткая физика конца ХХ в. начала ХХI в. не решив проблемы физики прошлых лет, доведя теоретическую физику до кризиса, оставляет своим наследникам мифы о поисках нейтрино и бозона Хигса, теории Большого Взрыва и пр., при этом не имея представления об сущности электрона и других основных элементарных частицах (фотоне и протоне) и совершенно не имея представления о таких физических сущностях как электрический заряд. При этом подвергаются абструкции любые альтернативные попытки выявления физической природы различных физических явлений и выхода из сложившейся кризисной ситуации.

Литература:

http://bourabai.kz/tyapkin/electron.htm ТЯПКИН А. А. — ОБ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОНА

Лямин В. С., Лямин Д. В.

1.1 Открытие электрона и радиоактивности.

Рождение представлений о сложном строении атома

Дискретность электрического тока отражена в работах Фарадея по электролизу - один и тот же ток приводит к выделению на электродах разного количества вещества в зависимости от того, какое вещество растворено. При выделении одного моля одновалентного вещества через электролит проходит заряд в 96 500 Кл, а при двухвалентном - заряд удваивается. После определения в конце XIX в. числа Авогадро появилась возможность оценить величину элементарного электрического заряда. Так как 6,02 10 23 атомов переносят заряд в 96 500 Кл, то на долю одного приходится 1,2-10 -19 Кл. Стало быть, это - мельчайшая порция электричества или «атома электричества». Георг Стоней предложил и назвать этот «атом электричества» электроном.

Работа с токами в газах осложнена трудностями получения разреженной газовой среды. Немецкий механик-стеклодув Г. Гейслер изготовлял для развлечений трубки с разреженным газом, светящимся при пропускании через него электрического тока. В них В. Гиттгофф обнаружил вызывающее флуоресценцию стенок трубки излучение из катода, которое назвали катодными лучами. Как установил английский физик У. Крукс, эти лучи распространялись по прямой, отклонялись магнитным полем и оказывали механическое воздействие.

Французский физик Ж. Перрен поместил внутри трубки перед катодом металлический цилиндр с отверстием против катода и обнаружил, что цилиндр заряжается отрицательно. Когда лучи отклонялись магнитным полем и не попадали в цилиндр, он оказывался незаряженным. Через два года Дж.Томсон поместил цилиндр не перед катодом, а сбоку: поднесенный магнит искривлял катодные лучи так, что они попадали в цилиндр и заряжали его отрицательно, но флуоресцирующее пятно на стекле смещалось. Значит, лучи - отрицательно заряженные частицы. Такой измерительный прибор называют электронно-лучевой трубкой высокого вакуума. Под действием силы Лоренца, вызванной магнитным полем, включенным в области конденсатора, светящийся след падения пучка на экране смещается. Так в 1895 г. родилась новая наука - электроника.

Действуя одновременно электрическим и магнитным полями и меняя их величину, Томсон подобрал их так, чтобы они компенсировались, катодные лучи не отклонялись, и пятно на стекле не смещалось. Он получил отношение электрического заряда к массе частицы е/т = 1,3 10 -7 Кл/г. Независимо от Томсона это значение измерил для катодных лучей В. Кауфман и получил близкое значение. Томсон назвал эту частицу корпускулой, а электроном - только ее заряд, но потом и саму частицу катодных лучей назвали электроном (от греч. elektron - янтарь).

Открытие электрона, изучение его уникальных свойств стимулировали исследования строения атома. Стали понятны процессы поглощения и испускания энергии веществом; сходства и отличия химических элементов, их химическая активность и инертность; внутренний смысл Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, природа химической связи и механизмы химических реакций; появились совершенно новые приборы, в которых движение электронов играет определяющую роль. Изменялись взгляды на природу материи. С открытия электрона (1897) начался век атомной физики.

Из многочисленных опытов с пропусканием электронов через вещество Дж.Томсон заключил, что число электронов в атоме связано с величиной атомной массы. Но в нормальном состоянии атом должен быть электрически нейтрален, и поэтому в каждом атоме количества зарядов разных знаков равны. Поскольку масса электрона составляет примерно 1/2000 массы атома водорода, то масса положительного заряда должна быть в 2000 раз больше массы электрона. Например, у водорода почти вся масса связана с положительным зарядом. С открытием электрона сразу же появились новые проблемы. Атом нейтрален, значит, в нем должны быть другие частицы с положительным зарядом. Они еще не были открыты.

Французский физик А. Беккерель, исследуя люминесценцию, открыл (1896) явление радиоактивности. Его интересовала связь флуоресценции от катодных лучей на стенках трубки и рентгеновские лучи, испускаемые от этой части трубки. Облучая различные вещества, он пытался выяснить, могут ли рентгеновские лучи испускаться фосфоресцирующими телами, облученными солнечным светом. Вскоре им занялись супруги Кюри и открыли более активный элемент, который назвали полонием в честь Польши - родины Марии Кюри. Измеряя величину эффекта, Склодовская-Кюри открыла новый элемент - радий, а сам эффект излучения назвала радиоактивностью (от лат. radio - испускаю лучи). Интенсивность излучения радия в сотни тысяч раз больше, чем у урана. Затем был открыт третий радиоактивный элемент - актиний. И произошел некий «бум» в изучении радиоактивности.

К концу 1899 г. сотрудник Дж.Томсона Э. Резерфорд заключил: «...опыты показывают, что излучение урана является сложным и состоит по крайней мере из двух различных видов: одно, быстро поглощаемое, назовем его а-излучением; другое, более проникающее, назовем его -излучением». Через три года П. Вийяр нашел еще одну компоненту излучения, которая не отклонялась магнитным полем, ее назвали -лучами. Радиоактивность быстро находила применение в естествознании и медицине.

Атом переставал считаться неделимым. Идея о строении всех атомов из атомов водорода была высказана еще в 1815 г. английским врачом У. Праутом. Сомнения о неделимости атомов породили открытие спектрального анализа и Периодической системы химических элементов. Получалось, что сам атом - это сложная структура с внутренними движениями составных частей, ответственных за характерные спектры. Стали появляться и модели его строения.

Модель атома - положительный заряд распределен в положительно заряженной достаточно большой области (возможно, сферической формы), а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг» - в 1902 г. предложил Кельвин. Дж.Томсон развил его идею: атом - капля пудинга положительно заряженной материи, внутри которой распределены электроны, находящиеся в состоянии колебательного процесса. Из-за этих колебаний атомы и излучают электромагнитную энергию; так он смог объяснить дисперсию света, но возникло и много вопросов. Для объяснения Периодической системы химических элементов он исследовал разные конфигурации электронов, предполагая, что устойчивым конфигурациям соответствует устройство неактивных элементов типа благородных газов, а неустойчивым - более активных. По длинам волн испускаемого атомами света Томсон оценил область, занимаемую таким атомом, - около 10 -10 м. Он делал очень много предположений, увлекшись расчетом характеристик излучения по теории Максвелла, так как считал, что внутри атома действуют только электромагнитные силы. В 1903 г. Томсон получил, что электроны при движении должны излучать эллиптические волны, в 1904 г. - что при числе электронов более 8 они должны располагаться кольцами и число их в каждом кольце уменьшаться с уменьшением радиуса кольца. Число электронов не позволяет быть устойчивыми радиоактивным атомам, они выбрасывают а-частицы, и устанавливается новая структура атома. Эксперимент Э. Ре-зерфорда, одного из учеников Томсона, привел к ядерной модели строения атома.

Открытия конца XIX в. - рентгеновских лучей (1895), естественной радиоактивности (Беккерель, 1896), электрона (Дж.Томсон, 1897), радия (Пьер и Мария Кюри, 1898), квантового характера излучения (Планк, 1900) были началом революции в науке.

1.2 Планетарная модель строения атома. Современная наука и постулаты Бора

Планетарную модель строения атома первым предложил Ж. Перрен, пытаясь объяснить наблюдаемые свойства орбитальным движением электронов. Но В. Вин посчитал ее несостоятельной. Во-первых, электрон при вращении согласно классической электродинамике должен непрерывно излучать энергию и, в конце концов, упасть на ядро. Во-вторых, из-за непрерывной потери энергии излучение атома должно иметь непрерывный спектр, а наблюдается линейчатый спектр.

Опыты по прохождению а-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов провели сотрудники Э.Резерфорда Э.Марсден и Х.Гейгер (1908). Они обнаружили, что почти все частицы проходят через пластинку свободно, и только 1/10 000 из них испытывает сильное отклонение - до 150°. Модель Томсона это не могла объяснить, но Резерфорд, его бывший ассистент, сделал оценки доли отклонений и пришел к планетарной модели: положительный заряд сосредоточен в объеме порядка 10 - 15 со значительной массой.

Считая орбиты электронов в атоме закрепленными, Томсон в 1913 г. тоже пришел к планетарной модели строения атома. Но, решая задачу на устойчивость такого атома с использованием закона Кулона, он нашел устойчивую орбиту лишь для одного электрона. Ни Томсон, ни Резерфорд не могли объяснить испускание а-частиц при радиоактивном распаде - выходило, что в центре атома должны быть и электроны?! Его ассистент Г. Мозли измерил частоту спектральных линий ряда атомов Периодической системы и установил, что «атому присуща некая характерная величина, которая регулярно увеличивается при переходе от атома к атому. Это количество не может быть ни чем иным, как только зарядом внутреннего ядра».

Построение теории строения атома на основе планетарной модели наталкивалось на обилие противоречий.

Сначала датский физик Н. Бор пытался применить классическую механику и электродинамику к задаче о торможении заряженных частиц при движении через вещество, но при заданном значении энергии электрона появлялась возможность приписывать ему произвольные параметры орбиты (или частоты), что приводило к парадоксам.

Теорию строения атома Бор согласовал с проблемой происхождения спектров. Он дополнил модель Резерфорда постулатами, обеспечивающими устойчивость атома и линейчатый спектр его излучения. Бор отказался от представлений классической механики и обратился к квантовой гипотезе Планка: определенное соотношение между кинетической энергией в кольце и периодом обращения - это перенесение соотношения Е= hv , выражающего связь между энергией и частотой осциллятора, для системы, совершающей периодическое движение. Спектральные формулы Бальмера, Ридберга и Ритца позволили сформулировать требования обеспечения устойчивости атома и линейчатого характера спектра атома водорода: в атоме существует несколько стационарных состояний (или орбит электронов в планетарной модели), на которых атом не излучает энергии; при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом излучает или поглощает порцию энергии, пропорциональную частоте, согласующейся с правилом частот Ридберга- Ритца.

Итак, Бор постулировал частоты и существование стационарных состояний. То, что электрон может находиться только на определенных орбитах, сразу объясняло линейчатый спектр атомов - электрон испускает свет только при переходе с одной орбиты на другую, т.е. дискретными порциями, и не излучает, находясь на дозволенной орбите. Правильность предположений Бора могло подтвердить только хорошее согласие с экспериментом.

Применив свою теорию к строению атома водорода, Бор объяснил две (известные тогда) спектральные серии и предсказал еще две, пока не открытые. Он дал рациональное объяснение сериям спектральных линий, определил радиус атома и подсчитал значение постоянной Ридберга, входившей в комбинационный принцип Ридберга - Ритца. Это было огромным успехом. Но при переходе к более сложным атомам Бор столкнулся с трудностями: для атома гелия - только математическими, а при нескольких электронах задача оказалась сложнее, чем задача многих тел в теории Ньютона. И Бор стал строить водородоподобные модели. Теорию усовершенствовал немецкий физик А. Зоммерфельд. Из его расчетов получалось, что орбита - прецессирующий эллипс. Но такое искусственное соединение классических и квантовых представлений вело к неточным результатам для сложных атомов, не объясняло разную интенсивность линий в спектрах и т.д., хотя данные по спектрам водорода уже в 1914 г. были подтверждены.

Модель Резерфорда-Бора - первая квантовая модель строения атома. Объединив в себе результаты, полученные при исследованиях радиоактивности, оптических и электромагнитных явлений, она положила начало новой эпохе в развитии теории атома и сразу же обнаружила свою плодотворность в спектроскопии и теории химической связи. Предсказание спектра атома водорода - выдающееся достижение теории и величайший триумф физики. Впоследствии установили, что электрон не может рассматриваться как материальная точка, он обладает волновыми свойствами, имеет структуру, зависящую от его состояния, а стационарных орбит не существует. Из-за волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по пространству атома, причем так, что электронная плотность неоднородна и имеет максимумы в определенных местах. Описание поведения электронного облака, данное в квантовой механике, становилось все более далеким от наглядности. Специфика квантово-полевых представлений заключается в вероятностной форме законов.

При очень больших значениях энергии, сообщенной атомам, они теряют свои свойства, образуя четвертое агрегатное состояние - плазму. В плазме исчезают почти все упорядочения, отличающие один атом от другого, там царит хаос. Плазма газообразного неона (на атом - 10 электронов) имеет те же свойства, что и плазма газообразного натрия с 11 электронами. Хаос таких высоких температур наблюдаем только в лаборатории, а для космоса - обычное явление. Бор показал, что для больших длин волн к формуле Бальмера можно прийти по классической электродинамике (в этой области спектра справедлива формула Рэлея-Джинса). Это положение, названное «принципом соответствия», стало методологическим основанием первоначального развития квантовой механики. В пределе, когда стационарные состояния оказываются близкими и мало отличимыми, можно пользоваться классическими представлениями. Но для развития теории этот принцип не оказал конструктивной помощи. Ван-дер-Варден назвал весь период с 1919 по 1925 г. периодом «систематического угадывания» на основе принципа соответствия. С.И.Вавилов считал, что неудача с расчетами атома гелия лишила Бора мощного орудия исследования - использования классических представлений для «почти интуитивного угадывания истинных отношений».

2.1 Строение химических элементов и понимание Периодической таблицы Менделеева

В своей Нобелевской речи Бор отметил, что его теория объясняет молекулярные спектры, неплохо согласуясь с опытом. При переходе к объяснению строения химических элементов он предположил, что замкнутые конфигурации энергетически более выгодны и после заполнения одной оболочки начинают заполняться следующие. После создания Бором квантовой теории атома водорода и успехов квантовых представлений в других областях науки активно развивалась спектроскопия, которая явилась ключом в мир внутриатомных явлений.

Еще в 1896 г. П.Зееман осуществил опыт, который не успел провести Фарадей. Пламя горелки он поместил между полюсами электромагнита и наблюдал спектр. При наблюдении поперек поля кроме основной линии с частотой колебаний, которая была бы без поля, были две линии, смещенные в разные стороны от основной. Все три линии линейно поляризованы. При наблюдении вдоль поля несмещенной компоненты нет, а смещенные - поляризованы по кругу в противоположных направлениях. Х.Лоренц объяснил эффект Зеемана вращением электронов по круговой орбите с циклической частотой, определяемой силой Лоренца. Дж.Лармор учел прецессию электронов вокруг силовых линий магнитного поля с этой частотой. Теория Лармора-Лоренца - выдающееся достижение электронной теории, и ее авторы были удостоены Нобелевской премии за открытие и объяснение эффекта Зеемана (1902). Но квантовая теория, развиваемая А. Зоммерфельдом, не могла ничего сказать о поляризации и интенсивности линий, их определили в нормальном эффекте Зеемана с помощью принципа соответствия Бора. На практике чаще наблюдается расчленение на несколько компонентов (линий). Как указывал в 1919 г. Д.С.Рождественский, эта проблема тесно связана с магнитными свойствами атома.

Но не был интерпретирован аномальный эффект Зеемана, когда возникало отличное от триплета расщепление линии в магнитном поле. Паули, работая у Бора два года над этой проблемой, выдвинул гипотезу ядерного спина для объяснения сверхтонкой структуры спектральных линий. Он считал, что необъясненные явления «возникают вследствие двузначности свойств электрона, которую нельзя описать классически» (1924). Фактически это и была гипотеза существования спина электрона, которую робко высказывал еще Комптон (1921).

Идея опыта состояла в использовании известного факта притяжения большим магнитом маленьких, у которых на северный и южный полюсы действуют разные силы из-за неоднородности большого магнита. В однородном поле они просто повернулись бы в направлении поля. По классической теории на экране пучок должен дать размытое изображение - магнитный момент атома может принимать любые значения. По квантовой теории следовало ожидать, что пучок или не расщепится (как должно быть у водорода), или расщепится не менее чем на три пучка (при наличии магнитного момента). Но получалось, что пучок атомов водорода, серебра, натрия, калия и других одновалентных атомов расщепляется на два пучка. Поэтому и возникла гипотеза о собственном механическом и магнитном моменте электрона.

С позиции классической теории наличие таких моментов может быть обусловлено вращением электрона вокруг собственной оси. Тогда он как вращающаяся масса будет обладать моментом импульса. А вращающийся заряд есть совокупность круговых токов, т.е. появляется и магнитный момент.

Спин электрона имеет размерность вращательного момента-импульса, умноженного на расстояние. Говорят, что его состояния - «вверх» и «вниз». В магнитном поле он направлен по полю или против него. В том же 1924 г. Паули сформулировал принцип: на одной орбите не могут одновременно находиться более двух тождественных частиц с полуцелыми спинами. Спин электрона описывает асимметрию электрона, неизотропность его свойств.

Запрет Паули привел к новым открытиям, к пониманию тепло- и электропроводности металлов и полупроводников. К 1927 г. Паули сумел объяснить парамагнетизм электронного газа в металле и структуру электронных оболочек в атоме.

Электронные оболочки атомов строились с помощью принципа Паули. Так была понята Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Каждый слой представлялся совокупностью стационарных орбит. По Бору, электроны только после заполнения оболочки начинают занимать более высокие орбиты. Методы нахождения допустимых орбит определялись правилами квантования Бора - Зоммерфельда, позволившими продвинуть модель Бора от водорода к другим атомам. Оказалось, что электроны движутся не по окружностям, а по эллипсам, значит, находящиеся на одном эллипсе электроны должны отличаться ориентацией, а эллипсы одного слоя - эксцентриситетом.

Значения энергии, которые может принимать движущаяся частица, определяются главным квантовым числом (и): п = 1, 2, 3,... Электронные слои обозначают большими буквами латинского алфавита К, L , М, N , О и т.д. Наибольшее количество электронов в слое равно 2n 2 , поэтому в самом близком к ядру слое К (п = 1) может находиться не более двух электронов, в слое L (п = 2) - не более восьми и т.д. Чем больше заряд ядра или порядковый номер в таблице, тем сильнее притягиваются электроны, особенно внутренних слоев, поэтому диаметры слоев с ростом номера элемента уменьшаются, и все атомы имеют почти одинаковые размеры порядка 10 - 10 м. Атомы, относящиеся к одной группе элементов таблицы Менделеева, имеют одинаковую валентность, обусловливающую их сходные химические свойства. На внешних оболочках они имеют одинаковое число электронов, которые называются валентными.

Принцип Паули позволил объяснить насыщение уровней. В соответствии со свойствами симметрии-функции при перестановке двух частиц для электронов возможны только антисимметричные состояния. В дальнейшем принцип Паули сыграл решающую роль при построении статистики Ферми-Дирака для частиц с полуцелым спином - фермионов. Для частиц с целым спином (в единицах) - бозонов - была построена статистика Бозе - Эйнштейна. Принцип Паули не имеет аналога в классической физике, и физические причины существования этого запрета не полностью еще понятны. Паули предложил сначала простое правило, автоматически объясняющее наличие групп из 2, 8, 18 и 32 элементов. Он постулировал, что одну электронную орбиталь (или стоячую волну) могут занимать не более двух электронов. Вскоре было обнаружено наличие спина у электрона, и получилось, что принцип Паули имеет основание.

Если идти по системе химических элементов в направлении увеличения их номера, то оказывается, что электронами сначала заполняются наинизшие уровни энергии. Так, атом висмута выглядит так же, как и атом свинца, но с одним отличием - у висмута на 6p -оболочке на один электрон больше. Существует еще одно правило заполнения оболочек - правило Хунда, согласно которому, при заполнении s , p , d и т. д. уровней их сначала занимают электроны с одинаковой ориентацией спина и только потом - с противоположной. Так можно построить модели 92 стабильных атомов Периодической системы химических элементов.

Так, атом азота имеет 7 электронов; из них по два (с «правым» и «левым» спином) располагаются на уровнях \ s и 2s, а остальные три - на уровне 2р, который может вместить только 6 электронов. По правилу Хунда последние три электрона азота имеют одинаковую ориентацию спина. В волновой модели каждому из р-элек тронов соответствует волновая функция из двух симметричных «яйцевидных» половинок; три из них могут быть ориентированы вдоль любой из трех осей прямоугольной системы координат, в результате атом выглядит сферически симметричным. Следующий атом - кислород - должен содержать в одном из этих «p -пространств» еще один электрон с противоположно направленным спином. Это можно представить так: две полностью конгруэнтные p -орбитали проникают друг в друга, совершенно не влияя одна на другую. Периодическая система элементов теряла свою загадочность.

Как известно, природные химические элементы занимают в Периодической таблице места до № 92, т. е. до урана. Более тяжелых элементов нет ни на Земле, ни в метеоритах, приходящих из Космоса. Это и понятно - в ядрах атомов этих элементов больше протонов, значит, ядра таких элементов неустойчивы, а атомы - радиоактивны. Для получения трансурановых элементов были созданы специальные установки, названные циклотронами, в которых создаются мощные пучки а-частиц и более тяжелых частиц для бомбардировки ими урана. Первые циклотроны были созданы в США, где были получены сначала плутоний и нептуний, а затем - вплоть до элемента № 101, который был назван менделевием.

2.2 Химический катализ и методы управления химическими процессами

Реакционная способность вещества на 50 % определяется его составом и структурой и на 50 % - его реагентом по реакции. Так, если реагент - сильная кислота, то вещество ведет себя как основание, и наоборот. Эту двойственность поведения в реакции объяснил Бутлеров, считая, что вещество расщепляется на два изомера и это влияет на равновесную изомерию (таутомерия). Впоследствии А. Н. Несмеянов установил, что это - раздвоение свойств изомера как целого.

К 70-м годам XIX в. идеи и методы физики стали проникать в смежные области естествознания. Н. Н. Бекетов впервые сформулировал и обосновал положение о том, что физическая химия - самостоятельная наука, основная задача которой состоит в изучении связи между физическими и химическими свойствами веществ, явлений и процессов. Работами М.Бертло, Ю.Томсона, В.Ф.Лучинина и Н.Н.Бекетова была создана термохимия, изучающая закономерности в теплоте образования и сгорания веществ в зависимости от их химического строения. Исследования Дж. Гиббса, Я. Г. Вант-Гоффа, В.Г.Нернста и других ученых развили химическую термодинамику, изучающую энергетические процессы, которые сопровождают процессы химические. Гиббс сформулировал правило фаз, по которому система имеет несколько состояний, разделенных между собой границами. Нернст установил, что при приближении к температуре, равной 0 К, тепловой эффект и движущая сила химических реакций все более совпадают и это дает возможность производить точный расчет химических реакций. Начало систематическому расчету реакций положил Н.А. Меншуткин.

Химические реакции - основа химии. При столкновениях молекул может высвободиться энергия, достаточная для перегруппировки электронов в них и формирования нового набора связей, т. е. образования новых соединений. Химические реакции обычно представляют в виде уравнений: слева - исходные вещества, справа - продукты реакции; стрелка обращена в сторону более низкой суммарной энергии связей, показывая, в какую сторону реакция стремится идти самопроизвольно. Но реакции могут идти в обе стороны и представляют собой перераспределение химических связей.

Исследования общих закономерностей, управляющих химическими процессами, заинтересовали возникшую в конце XIX в. химическую индустрию. Если какое-то вещество является катализатором, или ингибитором, происходит целый комплекс реакций, участвуют все вещества, оказавшиеся в зоне реакции, и могут получиться различные побочные продукты. От знания скорости и направления реакций, влияния на них различных факторов зависела производительность химической промышленности. Определение характера химического процесса казалось почти невозможным, пока не создали химическую термодинамику и кинетику.

Ответ на вопрос, от чего зависит возможность осуществления реакции, перестройки химических связей дают законы термодинамики. Например, для получения теплоты требуется определенное топливо. Переход теплоты от нагретого тела связан с распределением энергии: атомы вещества отдают энергию теплового движения окружающим атомам, не меняя своего состояния. При химических реакциях энергия тоже рассеивается, но меняются окружение атомов и исходное вещество, может возникнуть новое вещество. При решении разнообразных термодинамических задач используют особые функции - термодинамические потенциалы. Зная выражение термодинамических потенциалов, через независимые параметры системы можно вычислить и другие характеристики процессов. Приведем некоторые из них.

Термодинамический потенциал равен изменению потенциала, приходящегося на одну частицу в соответствующем процессе. И реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины потенциала. Когда камень падает в поле тяготения, уменьшается его потенциальная энергия. Подобный процесс наблюдается и в химической реакции: когда она идет, ее свободная энергия переходит на более низкий уровень. В этих примерах аналогия полная, поскольку нет изменения энтропии. Но в химических реакциях изменение энтропии необходимо учитывать, и возможность реакции еще не означает, что она пойдет самопроизвольно. Термодинамика объясняет: реакция пойдет только при уменьшении энергии веществ и увеличении энтропии. Энтропия растет, так как в малой молекуле расположение атомов менее упорядочено, чем в большой.

Но реальные процессы и состояния чаще всего являются неравновесными, а системы - открытыми. Такие процессы рассматриваются в неравновесной термодинамике.

Ле Шателье выдвинул принцип подвижного равновесия (1884). Сейчас его формулируют так: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого влияния. Появилась возможность смещать равновесие в сторону образования продуктов реакции через изменение температуры, давления и концентрации реагентов. Эти методы назвали термодинамическими.

Явление химического катализа было открыто в 1812 г. Кирхгофом. В XVIII в. уже знали о каталитическом действии селитры при получении серной кислоты, хотя смысл этого явления не поддавался объяснению. Берцеллиус связал природу взаимодействия агентов с электрохимическими потенциалами (1835), обозначив силу «вызывания химической деятельности» понятием каталитической силы. Либих предположил, что взаимодействие с катализатором может непрерывно менять химические связи в молекуле. Взгляды Либиха поддержал Д. И. Менделеев. К концу XIX в. поняли, что в реакции участвуют стенки сосуда, растворители и случайные примеси. Целенаправленное изучение катализа позволило к середине XX в. получать широкий круг органических продуктов, регулировать скорость и заданную направленность химических реакций.

Д.П.Коновалов положил начало физико-химической теории катализа, ввел понятие активной поверхности (1885) и вывел формулу для скорости автокаталитических реакций независимо от С. Оствальда. Теорией катализа занимался и Д. И. Менделеев (1886). При катализе происходит активация молекул реагента при контакте с катализатором: связи в веществе становятся более подвижными, «подталкивая» вещества к взаимодействию. В. Оствальд, сравнивая относительную активность различных кислот, пришел к выяснению условий химического равновесия и развитию катализа. Он определил катализатор как вещество, «которое изменяет скорость реакции, но не входит в состав конечного продукта реакции».

Доля каталитических процессов в химической промышленности достигает 80 %. За 50 лет катализ превратился в мощное орудие синтеза веществ. Зависимость скорости реакций от температуры исследовал С.Аррениус, предложивший (1889) закон: вероятность накопления энергии активации определяется формулой, полученной Больцманом:. Вант-Гофф исследовал причины, меняющие скорость реакций, и показал, что с ростом температуры энергия частиц при столкновениях может оказаться достаточной для начала химической реакции. Зная величины энтропии веществ, можно определить условия протекания реакции и ее направление.

Природный катализатор - хлорофилл - комплексное металло-органическое соединение в живой ткани зеленого листа. Поэтому можно считать, что процесс фотосинтеза происходит при фото-биокатализаторе, и эти реакции изучаются в целях получения еще одного источника энергии. За идеями строения эффективных биокатализаторов химики часто обращаются к живой природе. Поэтому будущее катализа - на пути между химией и биологией. Большинство биохимических процессов - каталитические. Расчет энергии активации проводится в квантовой химии.

Биокатализаторы были открыты в начале XX в. Благодаря работам французских химиков П.Сабатье и Ж.Б.Сандерана в промышленности при гидрировании органических веществ вместо благородных металлов стали использовать никель, медь, кобальт, железо. Русский химик-органик В.Н.Ипатьев исследовал каталитическое действие оксидов металлов при высоких давлениях и температурах и установил, что при использовании смеси катализаторов их действие усиливается. Каталитический способ синтеза аммиака из атмосферного азота и водорода под давлением открыл немецкий химик Ф. Габер. Затем химик-технолог К. Бош и А. Митташ предложили промышленный способ синтеза аммиака с использованием смеси катализаторов - железа, едкого калия и глинозема - при повышенных температурах и высоком давлении.

Управлять ходом химической реакции можно и за счет привлечения внешнего источника энергии - световой или тепловой. С ее помощью удается расшатать атомы в исходной молекуле и побудить их к участию в нужной реакции. Этим занимается область химии, получившая название химии экстремальных состояний. Использованием для этой цели более жесткого электромагнитного излучения (для молекул с крепкими внутримолекулярными связями) занимается радиационная химия.

2.3 Цепные реакции и свободные радикалы

Свободный радикал обнаружил в 1900 г. уроженец Украины М. Гомберг, создатель антифриза для автомобилей. Он выделил некое соединение, способное вступать в реакции, и доказал, что оно есть «половина молекулы». До этого считали, что только молекулы и атомы участвуют в химических реакциях. Если происходит реакция типа замещения, то выделяющаяся энергия перераспределяется между продуктами реакции. Но многие реакции идут через промежуточные продукты реакции и энергия активации понижается. Если промежуточные продукты имеют ненасыщенные валентности, это понижение особенно заметно. Такие атомы или соединения называют радикалами и обозначают точкой над символом.

М.Боденштейн обнаружил, что при взаимодействии хлора и водорода один поглощенный фотон света вызывает образование около ста тысяч молекул хлороводорода. Реакция соединения хлора с водородом идет следующим образом:

Первая ненасыщенная валентность при комнатных температурах не образуется, нужно, чтобы с какой-то внешней помощью произошло расщепление молекулы хлора на два атома, после этого реакция самопроизвольно и быстро осуществится по заданной схеме. Каждый раз вместо ненасыщенной валентности одного свободного атома появляется валентность другого атома, и этот процесс происходит поочередно. Реакция идет цепным образом, отсюда название - цепная реакция.

Понятие разветвленных цепных реакций ввели через 10 лет И.А.Кристиансен и Г. А. Крамерс, показав, что цепные реакции могут наблюдаться не только в фотохимических реакциях. Это понятие позднее заимствовали физики для описания ядерных процессов.

Советские ученые Ю.Б.Харитон и А.К.Вальтер, исследуя реакции между парами фосфора и кислородом (1926), не могли понять, почему они не шли при низких и высоких давлениях кислорода, тогда как при средних происходил взрыв. Объяснение этому явлению дал основатель научной школы по химической кинетике Н. Н. Семенов. Причиной является разветвленная цепная реакция, когда вместо одной ненасыщенной валентности получаются несколько.

Окисление водорода, например, идет по такой схеме: (зарождение цепи),(разветвление цепи), (продолжение цепи).

Возникающий на этапе зарождения цепи радикал Н0 2 мало активен. Итак, из одного активного центра с ненасыщенной валентностью Н получаются три гидроксида ОН и два Н. Если последние радикалы Н могут дать вновь по три радикала, то скорость реакции нарастает лавинообразно. Воспрепятствовать этому бурному процессу может только рекомбинация Н на стенках сосуда или переход валентности на неактивный радикал Н0 2 внутри объема. Значит, меняя условия протекания реакции, можно управлять и скоростью ее протекания. При этом важную роль играют размеры сосуда - успеют ли радикалы дойти до стенки и рекомбинировать на ней или разветвление реакции произойдет раньше, закончившись взрывом.

К тем же выводам пришел и английский ученый С.Н.Хиншелвуд, открывший вещества, которые могут реагировать двояко. Близкие идеи относительно классификации процессов воспламенения и предельных явлений при горении ацетилена содержались в монографии Д.В.Алексеева (1915). В ацетилене, например, при медленном нагревании продукты распада группы СН не будут иметь времени для того, чтобы родились известные продукты полимеризациии т. д. При быстром нагревании активные молекулы начнут разлетаться с большими скоростями, при столкновениях дадут начало химическому превращению и процесс будет развиваться от слоя к слою, образуя волну реакции. При малых концентрациях молекул реакция может погаснуть. Значит, процессом горения можно управлять.

Теорию цепных реакций Семенов построил и изложил в монографии «Цепные реакции» (1934). Она охватывала большое число явлений, происходящих при взрывных процессах и горении.

Примером цепной реакции является и реакция деления ядер урана, происходящая аналогично химической, только вместо закона сохранения масс действует закон сохранения и изменения энергии (и массы). Работы, начатые в 1934 г. под руководством Э. Ферми, показали, что ядра атомов большинства элементов способны поглощать медленные нейтроны и становиться радиоактивными.К 1938 г. было обнаружено, что в уране, активизированном нейтронами, присутствует элемент, сходный с танталом. Этому факту есть только одно объяснение - под действием нейтронов атом урана делится на две примерно равные массы. Если в уране отношение числа нейтронов к числу протонов равно 1,6, а в тантале - между 1,2 и 1,4, то при делении обязательно возникнут элементы с «лишними» нейтронами. Это значит, что нейтроны играют роль спичек, возбуждающих реакцию деления.

1.1 Открытие электрона и радиоактивности.

Рождение представлений о сложном строении атома

-излучением». Через три года П. Вийяр нашел еще одну компоненту излучения, которая не отклонялась магнитным полем, ее назвали -лучами. Радиоактивность быстро находила применение в естествознании и медицине.

1.2 Планетарная модель строения атома. Современная наука и постулаты Бора

Построение теории строения атома на основе планетарной модели наталкивалось на обилие противоречий.