О модели атома Томсона

Продолжаем рассматривать атом с точки зрения физиков-классиков. Ниже показано, как Томсон пришел к своей модели атомного строения и какова природа квантовых переходов с его точки зрения. Подолжение цикла, начатого тут и тут.

Первую модель атома в 1903 г. предложил Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940), создав ее вскоре после открытия им же в 1895 – 1897 гг. электрона. Длительность времени открытия электрона определяется продолжительностью проведения большой серии многосложных экспериментов, которые он вместе со своими сотрудниками проводил в Кавендишской лаборатории, которую с 1884 г. он же и возглавлял. Представление об электроне, как мельчайшей заряженной частице созрело не сразу. Известно, что в экспериментах электроны предстают делокализованными, т.е. как бы размазанными по всему объему пространства атома. Кроме того, почти сразу же стало понятно, что масса электрона является переменной величиной; опыт Кауфмана, проведенный несколькими годами позже, подтвердил то, о чем Томсон только смутно догадывался. Позже он выведет формулу для массы электрона, движущегося со скоростью, сопоставимой со скоростью света, которая количественно давала те же результаты, что и релятивистская формула. У него же в экспериментах пока получалось так, что величина массы тесно была связана с зарядом. 

ри измерении величины заряда Томсон колебался, какую величину от измеренной необходимо отнести на счет массы, а какую на счет заряда. Поэтому Томсон не особенно торопился с выводами о существовании объекта, форму которого он себе плохо представлял. В 1897 г. он мог уверенно говорить лишь о том, что отношение электрического заряда к массе для частиц, которые образуют катодные лучи, намного больше, чем для ионов водорода. Если предположить, что заряды их по абсолютной величине равны, то, рассудил Томсон, масса катодных частиц должна быть намного меньше массы атомов водорода. Когда представление об электроне у него более или менее сложилось, он предложил модель «пудинга с изюмом». Согласно этой модели, отрицательные электроны, образуя правильные конфигурации, «плавают» в эфирной среде, заряженной положительно. О существовании положительного ядра атома он тогда ничего не подозревал; ядро было открыто несколько лет спустя.

Теперь наш дальнейший интерес сосредоточится на той самой модели Томсона, которая послужила прототипом для представления о реальном атоме. Дело в том, что исходная модель была воссоздана в обычных лабораторных условиях макромира с помощью плавающих в ванне с водой намагниченных металлических иголок, которые закреплялись на крохотных пробковых плотиках. Опыт показал, что три близлежащие диполя в свободном плавании располагаются в вершинах правильного треугольника (3 + 0). Четыре диполя распределяются по вершинам квадрата (4 + 0). Пять диполей могут образовывать уже две устойчивые модификации: либо все пять занимают вершины правильного пятиугольника (5 + 0), либо четыре диполя занимают вершины квадратов, а один находится в центре (1 + 4).

Однако шесть диполей не располагаются по вершинам правильного шестиугольника, т.е. конфигурация 0 + 6 существовать не может; имеется лишь один устойчивый вариант, когда пять диполей находятся в вершинах правильного пятиугольника, а один в центре (1 + 5). Нет и варианта типа 0 + 7, но есть только 1 + 6. Зато из восьми диполей получается два варианта 1 + 7 и 2 + 6. Если число диполей не превосходит 15, то все они распределяются по двум подгруппам – внутренней и внешней. Для системы 14-го порядка образуется конфигурация 5 + 9, где кольцо из 5 диполей является внутренним по отношению к кольцу из 9 диполей. Для 15 диполей существует единственная конфигурация 1 + 5 + 9. Таким образом, возникает серия из трех подгрупп, например, 2 + 7 + 11 = 3 + 7 + 10 = 3 + 7 + 10 = 20. Это продолжается до конфигурации до 1 + 5 + 9 + 12 = 27, когда возникает четыре подгруппы. Количество возможных дипольных конфигураций, распределенных по одной, двум, трем и четырем подгруппам, которые Майеру удалось смоделировать в эксперименте, приведены в табл. 21 (в нее не вошли конфигурации с первым кольцом из пяти элементов: 5 + 0 = 5, 5 + 9 = 14, 5 + 9 + 12 = 26, 5 + 9 + 13 = 27 и т.д.)

Первое, о чем следует помнить, когда вы рассматривайте табл. 21, так это то, что она прекрасно демонстрирует принцип заполнения электронами энергетических уровней s, p, d орбиты в атоме. Неважно, что в этой дипольной модели отсутствует ядро; оно может повлиять только на число электронов, которые разместятся иначе в каждой из подгрупп. Но ядро не вносит какого-то принципиального изменения в сам ход заполнения уровней. Поскольку все приведенные в таблице числовые данные определялись экспериментальным способом, который нельзя назвать прецизионным, у нас, конечно, нет никаких гарантий, что какая-нибудь, пусть не очень устойчивая, конфигурация в таблице пропущена. Величина устойчивости магнитной системы в данном случае никак не измерялась.

Возможно, кто-то найдет в ней и другие погрешности, однако данный эксперимент поддается усовершенствованию. Например, намагниченные иголки можно заменить массивными (размером с бильярдный шар) многополюсными электромагнитами, управляемыми как по числу полюсов, так и по величине напряженности магнитного поля. С помощью многоэлементной системы, состоящей из сотен таких плавающих магнитов, можно изучать конфигурации и степень устойчивости возникающих кольцевых структур, за счет регулировки величины токов. Сняв электромагниты с пробковых плотиков и разместив их в погруженные в воду сферы (соответствующим образом уравновешенные в воде), можно попытаться изучить характер объемных конфигураций. Такая модель будет близка к реальным условиям нахождения свободных электронов в пространстве трех измерений. Во всяком случае, нельзя отрицать, что результаты, полученные с помощью данной модели, имеют исключительно важное значение для понимания процессов, происходящих внутри атомов. Томсон о табл. 21 писал: «Я думаю, что эта таблица дает определенные указания для объяснения некоторых свойств атомов» [42, с. 74] и он, конечно же, прав.

Во-вторых, модель имеет обычные для наших масштабов размеры; они несопоставимы ни с астрономическими размерами Солнечной системы, ни с атомными. Тем не менее, модель ведет себя в соответствии с квантовой механикой. В ней существуют определенные стационарные состояния: когда количество диполей превысит какой-то порог, система скачком изменяет свою конфигурацию, вплоть до перехода «лишнего» диполя на внутренний уровень (ядра ведь нет, поэтому «возбужденные» диполи падают на нижний уровень, а не на верхний). При желании кольца с магнитными диполями можно раскрутить с помощью внешнего вращающегося магнитного поля подобно тому, как раскручивается ротор во вращающемся магнитном поле статора. Такая вращающаяся квантовая система будет походить уже на синхронизованные системы типа вышерассмотренных спутниковых систем Юпитера и Сатурна или троянской системы из астероидов. Качественно движение небесных тел мало чем будет отличаться от движений магнитиков, плавающих в ванне с водой или погруженных в воду, хотя количественные характеристики прочности связи, запаса устойчивости и прочие параметры, могут различаться на много порядков. Главное, что необходимо здесь понять, дискретность не является какой-то прерогативой микромира. Все, что происходит внутри атома, с той или иной точностью можно смоделировать на объектах любого масштаба. Мысль, будто законы физики каким-то образом зависят от абсолютных размеров системы, ошибочна.

Нужно заметить, что постановку эксперимента с магнитными диполями, плавающими в ванне с водой, осуществил не Томсон. Он даже не смог как следует сослаться на автора этого чудного эксперимента, сказав только, что «опыт впервые произведен, насколько мне известно, профессором Майером». К слову сказать, Томсон не любил читать научные статьи своих коллег и предпочитал либо сам присутствовать при проведении эксперимента, либо просил кого-нибудь, чтобы тот рассказал ему об уже проведенных опытах. Кто такой профессор Майер, предложивший и осуществивший столь «простой и изящный опыт», как выразился Томсон, история умалчивает. Единственное, о чем можно сейчас уверенно сказать, так это то, что Майер был наделен дюжим конструктивистским талантом. Но спасибо и Томсону, который вовремя обратил внимание на эксперимент Майера и осмыслил его ценность для понимания характера атомных явлений.

 Таким образом первая модель атома, которая отнюдь не походила на булку с изюмом, как сейчас принято считать. Это была динамичная, строго симметричная модель, в которой могли происходить квантовые переходы электронов с одного стационарного уровня на другой. Различные конфигурации электронов обладали определенной устойчивостью. Перестройка электронных конфигураций происходила дискретно и мгновенно.

Итак, модель Майера-Томсона, будучи вполне классической, обладала квантовыми свойствами, характерными для современных квантовых теорий, не связанных с классической механикой. 

С недавнего времени исследователи получили возможность узнать более наглядно, что же на самом деле происходит в микромире.

Модельной средой, куда более успешно заменяющей тазик с водой, является плазма, находящаяся в условиях микрогравитации. При определенных условиях в ней начинаю т образовываться т.н. плазменно-пылевые кристаллы. В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил американец Ирвинг Лэнгмюр еще в 20-х годах прошлого века. Однако активно изучать ее начали лишь в последнее десятилетие. Повышенный интерес к свойствам пылевой плазмы возник с развитием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также производства тонких пленок и наночастиц. Наличие твердых частиц, которые попадают в плазму в результате разрушения электродов и стенок разрядной камеры, не только приводит к загрязнению поверхности полупроводниковых микросхем, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом.Размеры пылевых частиц относительно велики - от долей микрона до нескольких десятков, иногда сотен микрон. Их заряд может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильнонеидеальной, поскольку ее поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).

На Земле дальнейшему изучению плазменных кристаллов мешает сила тяжести. Поэтому было решено начать эксперименты в космосе, в условиях микрогравитации.

Первый эксперимент провели космонавты А. Я. Соловьев и П. В. Виноградов на российском орбитальном комплексе "Мир" в январе 1998 года. Им предстояло изучить образование упорядоченных плазменно-пылевых структур в невесомости под действием солнечного света.

В стеклянных ампулах, заполненных неоном, находились сферические частицы бронзы с цезиевым покрытием при давлениях 0,01 и 40 Торр. Ампулу устанавливали возле иллюминатора, встряхивали и регистрировали с помощью видеокамеры движение частиц, подсвеченных лазером. Наблюдения показали, что вначале частицы движутся хаотически, а затем появляется направленное движение, которое связано с диффузией плазмы на стенки ампулы.

Обнаружился еще один интересный факт: через несколько секунд после встряхивания ампулы частицы начинали слипаться, образуя агломераты. Под действием солнечного света агломераты распадались. Агломерация может быть связана с тем, что в начальные моменты освещения частицы приобретают разноименные заряды: положительные - за счет эмиссии фотоэлектронов, отрицательные - заряжаясь потоками плазменных электронов, эмитированных с других частиц, - и разноименно заряженные частицы слипаются друг с другом.

Анализируя поведение макрочастиц, можно оценить величину их заряда (около 1000 зарядов электрона). В большинстве случаев частицы образовывали только жидкостную структуру, хотя иногда и возникали кристаллы.

 В начале 1998 года было принято решение о проведении совместного российско-германского эксперимента "Плазменный кристалл" на борту российского сегмента Международной космической станции (PC MKC). Постановку и подготовку эксперимента осуществляли ученые Института теплофизики экстремальных состояний РАН с участием Института внеземной физики Макса Планка (Германия) и Ракетно-космической корпорации "Энергия".

Такие регулярные структуры наблюдал профессор Майер в конце 19 века, когда экспериментировал с намагниченными иголками, плавающими на поверхности воды.

В период с 2001 по 2013 год российские космонавты собирали экспериментальные данные, полученные в условиях невесомости и глубокого вакуума, делились этими данными с немецкими физиками, тем не менее, теоретическое обоснование увиденных ими плазменно-пылевых волн, автоколебаний и прочих устойчивых и неустойчивых явлений далеки от полного понимания. Более того, несмотря на хорошо изученные явления, происходящие в газе и жидкости, а также в высокотемпературной плазме, сегодня всё ещё нет достаточно осмысленного понимания того, то происходит в этой экзотической среде с холодной плазмой.

источником такого непонимания является, прежде всего, полное игнорирование упорядоченного твердотельного вакуума, т.е. кристаллической мировой среды, которая диктует не только конфигурацию электрических и магнитных силовых линий, законы распространения света и прочие, хорошо изученные явления, но и определяет поведение заряженных пылинок в холодной плазме.

 
Чем определяется именно такая
конфигурация силовых линий?

 Как тут не вспомнить М. Фарадея: "Я хотел бы придать выражению силовая линия  
ограниченный смысл: оно должно содержать в себе не более, чем нужно,
чтобы характеризовать состояние силы в данном месте, в отно-
шении его величины и направления; оно не должно заключать
в себе (до поры до времени) какого-либо представления о
природе и физической причине явлений, не должно быть связано
с подобным представлением и не должно от него зависеть.
Однако вполне допустимо, если мы попытаемся понять, каким
образом физические силы возникают, существуют или
передаются; или, изучив их до некоторой степени путем опыта и
сравнения, попытаемся представить их каким-либо способом,
которым мы вообще пользуемся для простого представления сид;
необходимо только, чтобы в результате этого не получилось
какой-либо погрешности. Наоборот, если естественно-научная
истина и условное ее изображение теснейшим образом
совпадают друг с другом, то мы достигаем сильнейшего прогресса
в области нашего знания. Пример такого рода в отношении
к свету дают нам теории испускания и эфира. Подобное значение
для электричества имеет представление о жидкости или о двух
жидкостях, а отсюда в дальнейшем возникло представление
о токе, которое настолько крепко засело в нашем уме, что иногда
создает в науке неясность по вопросу об истинном характере
физических агентов; быть может, это происходит и теперь,
ипритом в* такой степени, что мы в настоящее время этого и не подр-
зреваем. Так же обстоит дело с представлением о магнитной
жидкости или о магнитных жидкостях, а также с допущением
о магнитных центрах действия, равнодействующие которых
находятся якобы на полюсах. Мы не знаем, каким образом
магнитная сила передается через тела или через (пустое)
пространство и как достигается этот результат: посредством действия
просто на расстоянии, как в случае тяготения, или же через
какой-либо посредствующий агент, как в случаях света, тепла,
электрического тока и (как я думаю) в случае статического
электрического действия. Представление о магнитнцх
жидкостях в том виде, как его применяют некоторые, или представление
о магнитных центрах действия не заключают в себе
представления об этом последнем виде передачи; представление о силовых
линиях ее в себе заключает. Если, однако, тот или другой метод
 
представления сил не заключает в себе передачи такого рода,
это еще не опровергает его, и тот метод, который находится
в согласии с этим представлением, может оказаться наиболее
соответствующим природе. Почти все ученые, по-видимому,
склоняются к мысли, что в большинстве случаев имеется именно
распространение через посредствующую среду; я, со своей
стороны, изучая отношение вакуума к магнитной силе и общий
характер магнитных явлений, протекающих вне магнита,
больше склоняюсь к мысли, что передача силы представляет собой
именно такое явление, протекающее вне магнита; я считаю
невероятным,, что эти явления представляют собою простое
притяжение и отталкивание на расстоянии. Такое действие
можно считать функцией эфира, ибо вряд ли можно считать
вероятным, что эфир, если он существует, нужен только для
того, чтобы передавать излучение (2591, 2787). Возможно, что
если бы мы были лучше осведомлены в настоящем вопросе, то
мы увидели бы источник тех противоречий, которые, как
полагают, существуют между выводами Кулона, Гарриса и других
физиков, и нашли бы, что на самом деле это вовсе не
противоречия, а только количественные расхождения, зависящие от
несовершенства представлений о явлениях и их причинах.."

 По материалам сайта sceptic-ratio.narod.ru, журналов "Наука и жизнь"http://www.nkj.ru, "Успехи физических наук"http://ufn.ru/ufn97/ufn97_1/Russian/r971d.pdf, Фарадей М. "Экспериментальные исследования по электричеству" Т3.