Атом – это мельчайшая частица вещества, из которой состоит абсолютно все на планете. Известно 118 атомов, 90 из них природные, а 28 созданы искусственно. Слово это древнегреческого происхождения и переводится как «неделимый». Именно в те древние времена был открыт атом, однако в дальнейшем наука выяснила, что атом состоит из ядра, протонов, нейтронов и электронов.
Первые упоминания
Древние философы Греции, такие как Демокрит и Лукреций, выдвинули гипотезу о существовании атомов еще в V веке до н.э. Название «атом» предложил Демокрит, он предположил, что все вокруг состоит из мельчайших частиц. Так в научном сознании появилась идея о неделимости материи на уровне атомов.
Изучение атомов позволило сделать открытия в физике и химии – от периодической системы элементов до атомной электростанции.
Долгое время о существовании атома могли только предполагать, как это сделали Демокрит или Михаил Ломоносов. Последний называл мельчайшие частицы «элементами», также он выделил крупные частицы – «корпускулы». Важность теоретического осмысления этого явления Ломоносовым в том, что он перевел атомистику из механической в химическую, с того времени исследования атома проводились химиками.
Прорыв в 19 веке
В начале XIX века изучением атомов занимался Дальтон, который придумал обозначения для ряда химических элементов. Он считал атомы упругими неподвижными шариками. В 1803 году ученый сформулировал свою теорию, где атомы рассматривались как неделимые частицы, обладающие уникальными свойствами. Он также разработал концепцию атомного строения элементов и исследовал законы химических соединений. Выводом из теории Дальтона стал закон кратных отношений, который означал, что атомы целиком взаимодействуют друг с другом, а не по частям. Важное нововведение – понятие атомного веса элемента, которое включало относительный вес атома (ведь в действительности его практически невозможно взвесить). Единица веса – атом водорода.
Далее Дмитрий Менделеев разработал периодическую систему элементов, которая сейчас известна каждому школьнику. Эта поистине гениальная система, которая по легенде пришла к ученому во сне. В своей таблице Менделеев опередил время: тогда еще структура атома была точно неизвестна, а ученый понял, что свойства атомов зависят от количества электронов. Менделеев систематизировал накопленные к концу XIX века знания о свойствах элементах, создал систему их классификации и даже предсказал открытие новых веществ, свойства которых он описал.
В конце XIX века Пьер и Мария Кюри обнаружили явление радиоактивности и выявили его свойства. В 1898 году ученые обнаружили радий, который является одним из самых тяжелых химических элементов, обладающих радиоактивными свойствами. А еще раньше, в 1828 году, Йенс Якоб Берзелиус обнаружил радиоактивный элемент торий. Обнаружение радия и тория способствовало развитию новой области науки – радиоактивности. Они стали основой для дальнейших исследований в области радиоактивности и атомной физики.
Однако за рамки теории атомы вышли только в начале ХХ века. И если еще в 1904 году Джозеф Томпсон назвал атом «пудингом с изюмом», то уже в 1911 году Эрнест Резерфорд создал планетарную модель. С этого времени ученые поняли, что атом не является действительно неделимым, он состоит из протонов и электронов.
Опыты
До Резерфорда была создана модель Томпсона. По теории последнего атом представлял собой «облако» с положительным зарядом, в котором случайным образом были распределены электроны с отрицательным зарядом.
Резерфорд же опровергнул эти воззрения, открыл атомное ядро и выяснил, что именно оно несет положительный заряд.
Опыт Резерфорда заключался в том, что он пропускал альфа-частицы через золотую фольгу. За фольгой располагался экран, покрытый сульфидом цинка. При попадании на экран альфа-частицы начинали светиться. Важно, что ученый заметил рассеивание частиц, это означало, что положительно заряженные частицы не были распределен по атому равномерно, как считал Томпсон. Результат эксперимента – создание планетарной модели Резерфорда. Согласно новой модели, вокруг положительно заряженного ядра по орбитам летают электроны. Никакого равномерного распределения электронов не существовало.
В 1913 году Нильс Бор на основе работ Резерфорда разработал квантовую модель атома, согласно которой электроны двигаются по определенным орбитам вокруг ядра и могут перескакивать с одной орбиты на другую, излучая энергию в виде фотонов. Это было первым приближенным описанием поведения атома с точки зрения квантовой механики.
Далее на протяжении ХХ века происходило активное исследование атома Бором, Шредингером, Гейзенбергом и другими. Ученые выяснили состав атома, определили роль квантовых чисел в описании электронных оболочек.
Значение открытия
Атомная теория способствовала развитию многих научных отраслей. В химии знание строения и свойства атомов помогает предсказывать течение химических реакций и создавать новые материалы. В физике атомная теория – основа квантовой механики, что позволяет понимать структуру вещества и явлений в микромире. В биологии атомная теория помогает понять механизмы биохимических процессов. Нанотехнологии также невозможны без знаний об атоме, это позволяет разрабатывать новые материалы и устройства на наноуровне.
Открытие атома как основной структурной единицы материи было результатом работы многих выдающихся ученых, начиная с античности и до современности. Идеи Демокрита и Лукреция о неделимых частицах материи, развитие атомной теории Дальтона, открытие радиоактивности и структуры атома Резерфордом – все это является важными этапами в истории открытия атома. Современные научные открытия и технологии, основанные на понимании атомной структуры, дали начало новой эпохе в развитии науки и техники.