Начало исследованиям в этой области положил современник Дальтона Майкл Фарадей, драгоценный ассистент сэра Гемфри Дэви, который после смерти последнего занял его пост в Лондонском королевском обществе. Несмотря на то что Фарадей был не очень силен в математике, он обладал огромной фантазией и легко придумывал невероятные опыты. Например, он решил пропустить электрический заряд через пустоту и посмотреть, что произойдет. Но ничего не произошло, поскольку его пустой сосуд был недостаточно хорош, в отличие от сосуда немецкого физика Генриха Гейсслера (1814-1879), который в 1854 году обнаружил любопытную зеленую вспышку в положительном электроде, или аноде. Поскольку сосуд был пуст, с отрицательным анодом, или катодом, тоже должно было что-то происходить. Чуть позже, в 1876 году, немец Ойген Гольдштейн предположил, что это взаимодействие, происходящее между отдаленными друг от друга электродами, есть не что иное, как "излучение катодных лучей".
У этой тайны было два возможных объяснения. Первое заключалось в том, что это излучение было простым электромагнитным излучением, а второе, предложенное англичанином Уильямом Круксом (1832-1919), состояло в том, что излучение связано с потоком невидимых частиц. Крукс поднес к сосуду магнит, и... катодные лучи отклонились в сторону. Для окончательной разгадки тайны катодных лучей надо было дождаться 1897 года, когда уже упоминавшийся Джозеф Джон Томсон доказал, что лучи отклоняются не только в магнитном, но и в электрическом поле. В то время из заряженных частиц были известны только ионизированные газы Резерфорда. Но если катодные лучи были ионами, они должны были быть очень легкими, примерно в тысячу раз легче атома водорода, или должны были обладать значительным зарядом. Первое объяснение соответствовало другим опытам с электричеством: электрический ток — это движение крошечных частиц, электронов. Томсон показал также, что отрицательно заряженные частицы, испускаемые металлическими пластинами при высоком облучении (знаменитый фотоэлектрический эффект, который будет объяснен в знаменательном для Эйнштейна 1905 году), идентичны катодным лучам.
ЭЛЕКТРОН
Электрон был первой открытой частицей атома, это произошло во время опытов с использованием трубок с катодными лучами. Трубки запаивались, а затем между двумя электродами внутри них пропускали ток высокого напряжения. Джозеф Джон Томсон в 1897 году установил, что от электрического заряда на стенках сосуда за катодом образуются вспышки. Он предположил, что дело в испускаемых катодом лучах (откуда и название — катодные). Однако он увидел, что в отличие от обычного электромагнитного излучения лучи распространялись по прямой линии, даже если отклонялись от магнитного или электрического поля. То есть лучи имеют электрический заряд, массу и универсальные частицы, поведение которых не меняется даже при изменении газа или типа электрода. Томсон рассчитал, что масса этих новых "частиц" равна 1/1000 массы атома водорода, и сделал вывод, что они скорее всего являются частью этого атома. Чтобы объяснить нейтральный заряд атома, он предположил, что частицы — позднее названные электронами по предложению Джорджа Стони в 1894 году — плавают в непрерывной положительно заряженной среде атома. Это была первая модель, в которой неделимый атом Джона Дальтона делился.
Опыт Томсона с катодной трубкой.
Это поведение электронов привело к выводу, что они на самом деле являются частью атома, что масса электрона составляет 1/1837 массы атома водорода и что раз электроны не могут с легкостью отсоединяться от атомов — под воздействием электрического поля или других значительных энергий, — то логично предположить, что они находятся снаружи атома. Все сходилось. Если атом нейтрален, но на его периферии находится отрицательный заряд, то для равновесия внутри должен находиться положительный. Это также объясняло некоторые загадки периодической таблицы, особенно классификацию элементов по свойствам и способности образовывать соединения с другими элементами. Электрический заряд объяснял и тот факт, что атомы обязаны своим атомным числом количеству электронов в основном состоянии. Все эти открытия были отмечены нобелевскими премиями. Чтобы не утомлять читателя, скажем только, что в 1906 году Нобелевскую премию по физике получил Томсон за открытие электрона, а в 1921-м ее получил Эйнштейн за обоснование фотоэлектрического эффекта (а вовсе не за теорию относительности, как многие думают).
Открытие электрона и определение его как составляющей частицы атома к 1900 году стало еще одним ударом, который перенесла теория Дальтона. Речь уже не просто шла о способности некоторых тяжелых атомов излучать радиоактивность и превращаться в более легкие элементы. Все без исключения атомы образованы из более мелких частиц. То есть атомы делимы. Но атомные идеи Дальтона, разработанные 100 лет назад, оставались справедливыми для огромного количества химических реакций.
Первая атомная модель была предложена Томсоном. Он представлял атом в виде пудинга (или булочки с изюмом): основа состоит из большого положительного заряда, а сверху разбросаны отрицательно заряженные электроны (см. рисунок).
В этой модели на периферии положительно заряженного атома равномерно распределены электроны, в результате чего заряды уравновешиваются.
Модель Томсона (1904): отрицательно заряженные электроны равномерно распределены в положительно заряженной оболочке атома. Результирующий заряд — нейтральный.
ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ЧАСТИЦА
Упрощенная модель повлекла за собой несколько проблем. Первая заключалась в том, что эта модель не объясняла радиоактивности. Резерфорд показал, что тяжелые элементы Беккереля и супругов Кюри излучают три вида радиоактивных лучей. Для простоты он назвал их альфа, бета и гамма. Резерфорд также показал, что электроны — это бета-частицы. До сих пор все было понятно, но таинственные альфа-частицы тоже взаимодействовали электрически, хотя и противоположным образом по сравнению с бета-частицами. Соответственно, их заряд должен быть положительным. Кроме того, они значительно меньше отклонялись, а значит, должны быть гораздо более тяжелыми, нежели электроны. Резерфорд рассчитал, что масса альфа-частиц в четыре раза больше массы атома водорода.
Чтобы покончить с путаницей, в 1908 году Резерфорд отделил альфа-частицы, поместив радиоактивный материал в стеклянную трубку, в которой находилась другая, более тонкая трубка. Первый барьер преодолевали только альфа-частицы. Отделив их, он выяснил их электрический заряд. Так появились спектральные линии гелия. Резерфорд знал, что один из загадочных видов радиоактивности образован положительными частицами гелия (второго элемента периодической таблицы), испускаемыми из его атомного ядра.
В том же 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии, однако остался неудовлетворен — не самой премией, а областью, в которой она была вручена. Самый важный свой опыт ученый провел между 1910 и 1911 годами. Вместе со своим немецким ассистентом Гансом Гейгером, более известным как изобретатель счетчика радиоактивных частиц, он пропустил ионизированные атомы гелия — альфа-частицы — через лист золотой фольги. К огромному удивлению исследователей — и к удивлению всего человечества, — некоторые частицы отскакивали обратно: можно сказать, что ученые обстреливали тонкий лист бумаги, но сквозь него проходили далеко не все пули. Вывод: атом практически пуст, но в центре него содержится очень плотное ядро.
