§ 38 Атомы: от Демокрита до Томсона

Быть может, эти электроны—

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Ещё, быть может, каждый атом —

Вселенная, где сто планет;

Там всё, что здесь, в объёме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

В. Брюсов

Как устроен материальный мир и из чего состоит вещество, волновало мыслящую часть человечества с глубокой древности. У античных мыслителей существовали различные точки зрения по этому вопросу. Главная проблема заключалась в том, состоит ли вещество из отдельных мельчайших частиц, чётко отграниченных друг от друга, или представляет собой непрерывное единство без разрывов на какие-либо составляющие его элементы. Первое свойство называется дискретностью материи, второе, противоположное ему, – непрерывностью.

В древнегреческой традиции преобладало представление о непрерывной материи, существование которой лежит в основе всего. Считалось, что она обладает двумя парами взаимно противоположных свойств: тепло – холод и влажность – сухость. Их различные сочетания, по мнению Аристотеля, образуют четыре основных элемента. Огонь представляет собой соединение тёплого и сухого, воздух – тёплого и влажного, вода – холодного и влажного, а земля – холодного и сухого. Из этих первоэлементов строятся все вещества, воспринимаемые человеческими ощущениями.

В то же время в Древней Греции существовали представители другой философской школы, которые назывались атомистами. Основателями этой школы были два философа: Левкипп и его ученик Демокрит (рис. 98).

Демокрит, живший во второй половине V и в первой половине IV в. до н. э., разработал философское учение, в основе которого лежит идея о существовании атомов. По мнению Демокрита, атомы представляют собой мельчайшие неделимые (атом по-гречески означает «неделимый») частицы, составляющие всю материю. Сами атомы никогда не подвергаются никаким изменениям, а все свойства реальной материи объясняются сочетаниями различных атомов.

Рис. 98. Демокрит

Между атомами находится пустота.

«Из ничего не возникает ничего, – говорит Демокрит, – ничто существующее не может быть уничтожено. Всякое изменение есть только соединение или разделение частей».

 Всем атомам свойственно непрерывное движение, даже внутри твёрдых тел они совершают колебания. Друг от друга атомы отличаются формой, размером и «поворотом», т. е. положением в пространстве. Душа по Демокриту тоже состоит из атомов, а их взаимодействие с атомами внешнего мира создаёт ощущения. (Тело, состоящее из «круглых и умеренно больших» атомов, кажется сладким, а из «округлённых, гладких, косых и малых по величине» – горьким и т. д.)

Представления Демокрита не нашли признания среди современников, и атомизм приобрёл известность только на рубеже IV и III вв. до н. э., когда популярный в то время философ Эпикур воспринял идею существования неделимых атомов, разделённых пустотой. По мнению Эпикура, в пустоте непрерывно движутся неделимые атомы, обладающие только формой, величиной и тяжестью. Все остальные свойства материи происходят от движения атомов и от их сочетания.

Сторонником и пропагандистом идей Эпикура был римский поэт и философ Тит Лукреций Кар, живший в I в. до н. э. Он написал философскую поэму «О природе вещей», где изложил практически всё, что было известно в то время в натурфилософии. Лукреций последовательно проводит идею о том, что всё во Вселенной состоит из плотных тел и пустоты. Самые мельчайшие частицы вещества разделены пустотой, но в самих себе пустоты не имеют, и поэтому они представляют собой неделимость, т. е. атомы:

Значит, везде пустота, очевидно, сменяется телом,

Ибо ни полности нет совершенной нигде во Вселенной,

Ни пустоты, а тела существуют известные только,

Что полнотой разграничить способны пустое пространство.

Поскольку внутри атомов нет пустоты, они не способны распадаться на более мелкие части. Поэтому они вечны и неуничтожимы:

Если ж начальные плотны тела, если нет пустоты в них,

Как я учил, то должны они вечными быть непременно.

Если же, кроме того, не была бы материя вечной,

То совершенно в ничто обратились давно бы все вещи,

Из ничего бы тогда возрождалось и всё, что мы видим.

Но, раз уж я доказал, что ничто созидаться не может

Из ничего, и всё то, что родилось, в ничто обращаться,

Первоначалам должно быть присуще бессмертное тело,

Чтобы все вещи могли при кончине на них разлагаться,

И не иссяк бы запас вещества для вещей возрожденья.

В XVII в., когда, как мы знаем, возникло современное естествознание, идеи атомизма, высказанные Демокритом и распространённые Эпикуром, получили признание среди первых естествоиспытателей. Одним из первых мыслителей, возродивших атомизм, был французский философ и учёный Пьер Гассенди (1592–1655). Также необходимо отметить большой вклад в эту область знания основателя и многолетнего президента Лондонского Королевского общества Роберта Бойля (1627–1691). Широкую известность он получил благодаря открытию закона сжатия газов, известного под названием закона Бойля – Мариотта, однако его исследования во многом были посвящены изучению строения вещества. Бойль полагал, что все вещества состоят из материальных частиц, имеющих определённую величину и форму, причём атомы жидкостей находятся в постоянном движении, а твёрдых тел – в покое. Он впервые объяснил химические изменения вещества соединением и разъединением атомов, что нашло подтверждение в последующих химических исследованиях. Сторонником атомизма был также Ньютон, который говорил, что материю следует считать «пористой», т. е. состоящей из отдельных крупинок, погружённых в пустое пространство.

К концу XVIII в. стало складываться убеждение, что вещества состоят из мелких частиц, которые называли корпускулами или молекулами. Эти частицы могут распадаться на более мелкие частицы – атомы, которые уже не могут быть разделены. Горячим сторонником атомно-молекулярной теории был российский учёный, внёсший неоценимый вклад в становление российской науки и культуры, Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) (рис. 99). Он утверждал, что все вещества состоят из корпускул, которые являются собранием элементов. Позже Ломоносов заменил слово «корпускула» на «молекула», а «элемент» на «атом».

В 1860 г. на международном съезде физиков в Германии было принято определение молекулы как наименьшей частицы вещества, сохраняющей его химические свойства, и атома как наименьшей части химического элемента, входящей в состав простых и сложных веществ.

До конца позапрошлого века исследователи только констатировали существование в материи мельчайших неделимых частиц, но всерьёз не ставили вопроса об их строении. Между тем уже с начала XIX в. накапливались данные, свидетельствующие о том, что электричество, так же как и вещество, состоит из мелких неделимых зарядов. Впервые мысль о дискретной структуре электричества высказал в 1801 г. немецкий физик Иоганн Риттер, а в 1846 г. его соотечественник Вильгельм Вебер ввёл понятие атома электричества. К концу XIX в., в значительной мере благодаря опытам Фарадея, было окончательно установлено, что существуют наименьшие, неделимые дальше, электрические заряды.

Рис. 99. М. В. Ломоносов

Рис. 100. След катодного луча (обозначен светлым кружком) из центра смещается под действием магнитного поля.

Северный полюс магнита поднесён к лучу, направленному на наблюдателя: А – луч отклоняется влево; Б – луч отклоняется вверх

В 1881 г. английский физик Дж. Стони рассчитал величину этих зарядов и впоследствии предложил назвать их электронами.

Одновременно проводились исследования излучения, которое было названо катодными лучами. Катодные лучи испускаются в вакууме из отрицательно заряженного тела (катода). Было ясно, что они отрицательно заряжены, так как под действием магнитного поля отклоняются в определённую сторону (рис. 100). В 1895 г. французский физик Жан Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи – это поток отрицательно заряженных частиц. В том же году английский исследователь Джозеф Джон Томсон начал в Кембриджском университете подробные исследования катодных лучей и уже через два года опубликовал работу, в которой доказал, что все частицы, которыми они образованы, одинаковы и что эти частицы входят в состав вещества.

Таким образом, выяснилось, что атомы не являются неделимыми – в их состав входят более мелкие частицы, которые имеют отрицательный заряд. Эти частицы оказались по сути теми же частицами, которые описывал Стони, и за ними было сохранено данное им название электронов.

Известно, однако, что атомы в целом электрически нейтральны. Следовательно, кроме отрицательных зарядов, в них должны существовать и компенсирующие их положительные. Исходя из этого, Дж. Дж. Томсон в 1903 г. предложил первую модель атома, получившую название «пудинг с изюмом». Исходя из того, что масса электрона оказалась значительно меньше массы атома, он предположил, что атомы представляют собой массивную частицу, в которой равномерно распределён положительный электрический заряд и в которую, подобно изюминам в пудинге, вкраплены значительно более лёгкие, отрицательно заряженные электроны. При определённых условиях электроны могут вылетать из атомов и двигаться прямолинейно с большой скоростью. Это движение электронов и обнаруживается в виде катодных лучей.

Проверьте свои знания

1. Какими древнегреческими философами было высказано предположение о существовании атомов?

2. Какие исследователи развивали идеи атомизма в XVI–XVII вв.?

3. Что представляют собой «катодные лучи»?

4. Какую модель атома предложил Дж. Дж. Томсон? Изобразите её схематично.