Это открытие придало
понятию материи прежде всего количественный смысл. Независимо от химических
свойств материя могла быть измерена ее массой.
В течение следующего периода, главным образом в XIX столетии, было
открыто большое число новых химических элементов. В наше время их число
перешагнуло за 100. Это число, однако, совершенно ясно говорит о том, что
понятие химического элемента еще не привело нас к тому пункту, исходя из
которого можно было бы понять единство материи. Предположение о том, что
существует очень много качественно различных видов материи, между которыми
нет никаких внутренних связей, не было удовлетворительным.
К началу XIX столетия были уже найдены свидетельства в пользу наличия
взаимосвязи между различными химическими элементами. Эти свидетельства
заключались в том факте, что атомные веса многих элементов казались
целочисленно кратными некоторой наименьшей единице, которая приблизительно
соответствует атомному весу водорода. Подобие химических свойств некоторых
элементов также говорило в пользу существования этой взаимосвязи. Но только
благодаря применению сил, которые во много раз сильнее, чем те, которые
действуют в химических процессах, можно было действительно установить связь
между различными элементами и подойти ближе к пониманию единства материи.
Внимание физиков было привлечено к этим силам в связи с открытием
радиоактивного распада, осуществленного Беккерелем в 1896 году. В
последовавших затем исследованиях Кюри, Резерфорда и других превращение
элементов в радиоактивных процессах было показано со всей очевидностью.
Альфа-частицы
испускались в этих процессах в виде обломков атомов с энергией, которая
приблизительно в миллион раз больше, чем энергия единичной частицы в
химическом процессе. Следовательно, эти частицы могли быть теперь
использованы в качестве нового инструмента для исследования внутреннего
строения атома. Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году,
явилась результатом экспериментов по рассеянию альфа-частиц. Важнейшей
чертой этой известной модели было разделение атома на две совершенно
различные части -- атомное ядро и окружающие атомное ядро электронные
оболочки. Атомное ядро занимает в центре только исключительно малую долю
всего пространства, которое занято атомом, -- радиус ядра приблизительно в
сто тысяч раз меньше радиуса всего атома; но оно все-таки содержит почти всю
массу атома. Его положительный электрический заряд, являющийся целочисленно
кратным так называемому элементарному заряду, определяет общее число
окружающих ядро электронов, ибо атом как целое должен быть электрически
нейтрален; он определяет тем самым и форму электронных траекторий.
Это различие между атомным ядром и электронной оболочкой сразу дало
согласованное объяснение тому факту, что в химии именно химические элементы
являются последними единицами материи и что для превращения элементов друг в
друга необходимы очень большие силы. Химические связи между соседними
атомами объясняются взаимодействием электронных оболочек, и энергии
взаимодействия при этом сравнительно малы. Электрон, ускоренный в разрядной
трубке потенциалом всего в несколько вольт, обладает достаточной энергией,
чтобы "разрыхлить" электронные оболочки и вызвать испускание света или
разрушить химическую связь в молекуле. Но химическое поведение атома, хотя в
основе его и лежит поведение электронных оболочек, определяется
электрическим зарядом атомного ядра. Если хотят изменить химические
свойства, нужно изменить само атомное ядро, а это требует энергий, которые
примерно в миллион раз больше, чем те, которые имеют место при химических
процессах.
Но ядерная модель атома, рассматриваемого как система, в которой
выполняются законы ньютоновской механики, не может объяснить стабильность
атома. Как было установлено в одной из предыдущих глав, только применение к
этой модели квантовой теории может объяснить тот факт, что, например, атом
углерода, после того как он взаимодействовал с другими атомами или излучил
квант света, по-прежнему остается в конечном счете атомом углерода, с той же
самой электронной оболочкой, какую он имел ранее. Эту стабильность можно
просто объяснить на основе тех самых черт квантовой теории, которые делают
возможным объективное описание атома в пространстве и во времени.
Этим путем было, следовательно, создано первоначальное основание для
понимания строения материи. Химические и другие свойства атомов можно было
объяснить, применяя к электронным оболочкам математическую схему квантовой
теории. Исходя из этого осно-
вания, далее можно было пытаться вести анализ строения материи в двух
различных направлениях. Можно было или изучать взаимодействие атомов, их
отношение к более крупным единицам, таким, как молекулы или кристаллы или
биологические объекты, или же можно было пытаться, исследуя атомное ядро и
его составные части, продвинуться до того пункта, в котором стало бы
понятным единство материи. Физические исследования форсированно развивались
в прошедшие десятилетия в обоих направлениях. Последующее изложение и будет
посвящено выяснению роли квантовой теории в обеих этих областях.
Силы между соседними атомами являются в первую очередь электрическими
силами -- речь идет о притяжении противоположных зарядов и об отталкивании
между одноименными;
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67