Перейти от представлений об атоме как о простом и неделимом шарике к сложной системе из положительных и отрицательных зарядов было не легче, чем отказаться от плоской Земли и согласиться с тем, что она — шар. Но даже перед теми, кто от всей души готовы были согласиться с новым представлением, вставали многочисленные трудности. Приспособить «пудинг Томсона» к объяснению известных явлений было очень сложно.
Помните, я рассказывал, как два немецких профессора — физик Кирхгоф и химик Бунзен изобрели спектральный анализ?.. К началу XX столетия этот метод исследования настолько развился, что ученые, пожалуй, и не понимали, как это они обходились без него раньше. Спектральный анализ стал буквально универсальным инструментом исследования. Химикам он помогал заполнять пустующие клетки в периодической таблице элементов Менделеева. Физикам… Впрочем, к физикам так просто не перейдешь.
Давайте возьмем небольшой разбег.
Каждый химический элемент, сожженный в пламени бунзеновской горелки, всегда давал в спектроскопе свой неповторимый один и тот же набор цветных полосок. Но каждый элемент должен был состоять из одинаково устроенных атомов. Не означало ли это, что цветные линеечки спектра были как-то жестко связаны со строением атомов, зависели от этого строения и в жарком пламени горелки охотно рассказывали об этом строении? Да, вот беда, никто пока этого языка линейчатых спектров не понимал. И надо было срочно ему обучиться.
Представьте себе, что вы попали в неизвестную страну и не знаете языка, на котором говорят ее жители. Как освоить чужую речь? Надо побывать в разных ситуациях, знакомых вам раньше, и сравнить названия простых предметов и действий на родном и чужом языках.
Примерно так решили поступить и физики. Они принялись изучать поведение спектров в самых разных условиях: в жаре и холоде, в электрических и магнитных полях. А потом задумались над тем, какую же модель атома нужно построить, чтобы она в тех же самых условиях испускала такие же спектры.
Но поведение спектров изучить было значительно проще, чем построить соответствующую модель атома. Эта работа затянулась на долгие годы.
Сначала казалось, что модель Томсона разрешит все проблемы. Она с физической точки зрения объясняла периодическую систему элементов Менделеева, позволяла представить себе на атомном уровне химические реакции. Но Дж. Дж. Томсон не зря говорил, что «каждое научное открытие не является пределом, дальше которого идти нельзя, а, наоборот, служит проспектом, ведущим в новые, еще неизведанные страны. И пока наука будет существовать, великое множество великих проблем исключат всякую опасность наступления когда-нибудь эпохи безработицы для физиков». Даже в тот период, когда модель Томсона еще только создавалась, физики уже наблюдали явления, которые ей противоречили. И оттого на страницах разных научных журналов появлялись неоднократно предложения о пересмотре томсоновской системы.
Некоторые из них я привел здесь в хронологическом порядке. А чтобы сразу было понятно, почему предлагаемые модели не заняли ведущего положения в науке, я снабдил каждое сообщение комментарием. Если вы внимательно просмотрите их, тогда и следующая модель атома Резерфорда не будет для вас такой неожиданной.
Итак…
СООБЩЕНИЕ № 1
1887 год. Русский физик Петр Николаевич Лебедев (1866—1912), стажируясь в Берлинском университете, вел дневник, записи которого до последних лет не были опубликованы. А между тем одна из них гласила:
«22 января 1887 г.
Каждый атом представляет собой полную Солнечную систему, то есть состоит из различных атомопланет, вращающихся с разными скоростями вокруг центральной планеты или каким-либо другим образом двигающихся характерно периодически. Периоды движения весьма кратковременны (по нашим понятиям)…»
комментарий
Идея строения атома, похожего на Солнечную систему, витала в воздухе. Но для того чтобы стать теорией, идее нужны были доказательства. Лебедев ни словом, кроме дневниковой записи, не обмолвился больше о своем предвидении. Не рассказал он о нем и тогда, когда планетарная модель получила всеобщее признание.
СООБЩЕНИЕ № 2
1901 год. Французский физикохимик Жан-Батист Перрен (1870— 1942), изучая природу катодных и рентгеновских лучей, предложил гипотезу, согласно которой атомы вещества состоят из частиц и устроены наподобие миниатюрных планетных систем. «Положительно заряженное ядро окружено отрицательными электронами, которые двигаются по определенным орбитам». Скорости этих движений должны соответствовать частотам основных спектральных линий элементов.
комментарий
Если вы будете ездить по кругу с совершенно одинаковой скоростью, то и тогда такое движение будет равноускоренным. Потому что раз меняется направление движения, значит, на тело действует сила. Коль скоро на тело действует сила, его движение не может быть равномерным. А по законам классической электродинамики всякий электрический заряд, двигающийся с ускорением, должен непрерывно излучать энергию в виде электромагнитных волн. Теряя энергию, он тормозится. При этом его орбита должна становиться все меньше и меньше. Если же представить себе такой заряд электроном, облетающим ядро, то в конце концов этот электрон должен падать на само ядро!.. При этом атом должен прекращать свое существование. Но длительность жизни Вселенной опровергает подобный вывод. И потому модель атома Перрена была отвергнута.
СООБЩЕНИЕ № 3
1902 год. Лорд Кельвин (У. Томсон) в Англии предложил пространственную модель атома в виде равномерно заряженной положительной электрической сферы, в центре которой находится отрицательный заряд в виде электронов, сгруппированных в устойчивые системы.
комментарий
В своей статье У. Томсон вспомнил о теории петербургского академика Ф. У. Т. Эпинуса (1724—1802), с которым в свое время немало спорил М. В. Ломоносов, и назвал свою модель «атомом Эпинуса».
Получалась она статической, то есть неподвижной, пространственной моделью, которая с трудом поддавалась математическому расчету.
СООБЩЕНИЕ № 4
1903 год. Ф. Ленард в Германии предложил новую модель атома. По мнению Ленарда, никаких отдельных электронов в атоме не существует. Атом составляют особые частицы — динамиды, каждая из которых — электрический дублет. Общая масса этих частиц равняется массе атома. А их радиус значительно меньше размеров атома, и потому большая часть атомного объема, по Ленарду, оказывалась пуста.
комментарий
Подтвердить существование «динамид» Ленарду не удалось, и потому его модель признания не получила. Единственным рациональным зерном его гипотезы явилось предположение о «прозрачности» атома, о том, что его масса сосредоточена в весьма небольшом объеме и большая его часть «пуста».
СООБЩЕНИЕ № 5
1904 год. Развивая модель У. Томсона (лорда Кельвина), так называемый атом Эпинуса, Дж. Дж. Томсон усовершенствовал свою модель атома. Теперь она представляла собой также равномерно заряженную положительным электричеством сферу, внутри которой вращались отрицательно заряженные корпускулы, число и расположение которых зависело от природы атома. Дж. Дж. Томсону не удалось решить общую задачу устойчивого расположения корпускул внутри сферы, и он остановился на частном случае, когда корпускулы лежат в одной плоскости, проходящей через центр сферы. Тогда, если число корпускул превышало пять, по условиям равновесия, они должны были располагаться в виде системы концентрических колец. Томсон рассчитал, что на внутреннем кольце могли устойчиво располагаться от одной до пяти корпускул-электронов. Затем следовала группа из двух колец, на которых могли, соответственно, находиться: 1 и 5, 1 и 6,1 и 7, 1 и 8, 2 и 8… и так далее, до 5 и 11 корпускул. Потом следовали группы с тремя кольцами, четырьмя кольцами, шестью и семью кольцами. В каждом кольце корпускулы совершали довольно сложные движения, которые автор гипотезы связывал со спектрами. А распределение корпускул по кольцам-оболочкам соответствовало вертикальным столбцам таблицы Менделеева.
комментарий
Дж. Дж. Томсон прекрасно понимал сложность структуры атома, названного им «пудингом с изюмом».
Его новая модель позволяла объяснять изменение химических свойств элементов в соединениях. Электроны, вращающиеся на кольцах-орбитах, могли под действием внешних сил смещаться в сторону от положения равновесия, изменяя структуру атома. А если менялась структура атома, то менялись и его химические свойства. Пользуясь моделью Дж. Дж. Томсона, можно было попытаться представить себе механизм химических реакций. То есть поискать ту самую лошадь, которая, по образному выражению Оствальда, спрятана внутри паровоза.
Дж. Дж. Томсон подошел совсем близко и к выводу, что характер распределения электронов в атоме определяет его место в периодической системе элементов. Но только подошел. Окончательный вывод был еще впереди. Многое в предложенной им модели было еще необъяснимо. Никто, например, не понимал: что представляет собой положительно заряженная масса атома и сколько электронов должно содержаться в атомах различных элементов? Существуют ли в атомах положительно заряженные частицы, и если нет, то как объяснить состав положительного излучения радиоактивных веществ, открытых А. Беккерелем и супругами Кюри?
На эти вопросы, впрочем, как и на многие другие, рыхлая томсоновская модель ответа не давала.
СООБЩЕНИЕ № 6
1904 год. Японский физик Хантаро Нагаока (1865—1950) предложил для объяснения явлений радиоактивности и оптических спектров модель «сатурноподобного» атома, которая представляла собой единое центральное положительно заряженное тело, вокруг которого, сгруппированные кольцами, как у планеты Сатурн, вращаются отрицательные электроны. У атомов, имеющих большой атомный вес, тяжелое нестабильное кольцо способно с огромной скоростью выбрасывать из себя легкие электроны, входящие в его состав.
комментарий
Нагаока вычислил периоды колебаний, которые совершают электроны при смещениях со своих орбит. Этими частотами можно было при желании приблизительно описать спектральные линии некоторых элементов.
Однако планетарная модель атома уже предлагалась раньше Ж. Перреном. Модель Нагаоки не была свободна от тех же недостатков.
СООБЩЕНИЕ № 7
1905 год. 25 сентября на съезде немецких естествоиспытателей и врачей профессор физики Мюнхенского университета Вильгельм Вин (1864—1928) сказал в своем докладе: «Большую трудность для электронной теории представляет также объяснение спектральных линий. Так как каждому элементу соответствует определенная группировка спектральных линий, которые он испускает, находясь в состоянии свечения, то каждый атом должен представлять неизменную систему. Проще всего было бы представить атом как планетарную систему, состоящую из положительно заряженного центра, вокруг которого обращаются, подобно планетам, отрицательные электроны. Но такая система не может быть неизменной вследствие излучаемой электронами энергии. Поэтому мы вынуждены обратиться к системе, в которой электроны находятся в относительном покое или обладают ничтожными скоростями, — представление, в котором содержится много сомнительного».
комментарий
Пожалуй, этот отрывок из доклада Вина подводит итоги перечисленным попыткам физиков ввести наглядную модель атома, которая объяснила бы все известные его свойства. Несмотря на недостоверность и сомнения, в первом раунде победила модель Томсона, недостатки которой не были ни для кого секретом. Впрочем, эта победа была неполной и неокончательной.