5 мифов об атомах04.09.2015 11:08

Модель Резерфорда как действующая модель строения атома, точечность и неделимость электрона и другие распространенные представления об атомах

Модель Резерфорда соответствует современным представлениям о строении атома

Это правда, но отчасти. Планетарная модель атома, заключающаяся в том, что легкие электроны вращаются вокруг тяжелого ядра, подобно планетам вокруг Солнца, была предложена Эрнестом Резерфордом в 1911 году, после того как в его лаборатории было открыто само ядро. Бомбардируя листок металлической фольги альфа-частицами, ученые обнаружили, что подавляющее большинство частиц проходит через фольгу насквозь, подобно свету сквозь стекло. Однако незначительная их часть — примерно одна из 8000 — отражалась обратно к источнику. Резерфорд объяснил эти результаты тем, что масса распределена в веществе не равномерно, а сконцентрирована в «сгустки» — атомные ядра, которые несут положительный заряд, отталкивающий положительно заряженные альфа-частицы. Легкие отрицательно заряженные электроны избегают «падения» на ядро, вращаясь вокруг них, так что центробежная сила уравновешивает электростатическое притяжение.

Говорят, что, изобретя эту модель, Резерфорд воскликнул: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» Однако вскоре, вслед за воодушевлением, Резерфорд осознал и ущербность своей идеи. Вращаясь вокруг ядра, электрон создает вокруг себя переменные электрическое и магнитное поля. Эти поля распространяются со скоростью света в виде электромагнитной волны. А такая волна несет с собой энергию! Получается, что, вращаясь вокруг ядра, электрон будет непрерывно терять энергию и в течение миллиардных долей секунды упадет на ядро. (Может возникнуть вопрос, нельзя ли применить тот же самый аргумент к планетам Солнечной системы: почему же они на Солнце не падают? Ответ: гравитационные волны, если они вообще существуют, гораздо слабее электромагнитных, а энергия, запасенная в планетах, намного больше, чем в электронах, поэтому «запас хода» у планет на много порядков дольше.)

Разрешить противоречие Резерфорд поручил своему сотруднику, молодому теоретику Нильсу Бору. Поработав два года, Бор нашел частичное решение. Он постулировал, что среди всевозможных орбит электрона существуют такие, на которых электрон может находиться в течение долгого времени не излучая. Электрон может переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом поглощая или излучая квант электромагнитного поля с энергией, равной разности энергий двух орбит. Пользуясь начальными принципами квантовой физики, которые уже были открыты к тому времени, Бор сумел вычислить параметры стационарных орбит и, соответственно, энергии квантов излучения, соответствующих переходам. Эти энергии к тому моменту были измерены с помощью методов спектроскопии, и теоретические предсказания Бора почти идеально совпали с результатами этих измерений!

Несмотря на этот триумфальный результат, теория Бора едва ли вносила ясность в вопрос физики атома, ведь она была полуэмпирической: постулируя наличие стационарных орбит, она никак не объясняла их физическую природу. Глубинное разъяснение вопроса потребовало еще не менее двух десятков лет, в течение которых была разработана квантовая механика как систематическая, цельная физическая теория.

В рамках этой теории электрон подчиняется принципу неопределенности и описывается не материальной точкой, подобно планете, а волновой функцией, «размазанной» по всей орбите. В каждый момент времени он находится в суперпозиции состояний, соответствующих всем точкам орбиты. Поскольку плотность распределения массы по пространству, определяемая волновой функцией, не зависит от времени, переменного электромагнитного поля вокруг электрона не создается; нет и потерь энергии.

Таким образом, планетарная модель дает верное наглядное представление о том, как выглядит атом, — Резерфорд был прав в своем восклицании. Однако она не дает объяснения того, как устроен атом: это устройство много сложнее и глубже, чем то, что смоделировал Резерфорд.

В заключение отмечу, что «миф» о планетарной модели в самом центре интеллектуальной драмы, породившей перелом в физике сто лет назад и в значительной мере сформировавшей эту науку в ее современном виде.

Александр Львовский

PhD in Physics, профессор физического факультета университета Калгари, руководитель научной группы, член научного совета Российского квантового центра, редактор научного журнала Optics Express

Отдельными атомами можно управлять

Это правда. Конечно, можно, почему нет? Управлять можно разными параметрами атома, а их у атома достаточно много: у него есть положение в пространстве, скорость, а есть и внутренние степени свободы. Внутренние степени свободы определяют магнитные и электрические свойства атома, а также готовность испускать свет или радиоволны. В зависимости от внутреннего состояния атома он может быть более или менее активен в столкновениях и химических реакциях, менять свойства окружающих атомов, от его внутреннего состояния зависит и его отклик на внешние поля. В медицине, например, используют так называемые поляризованные газы для построения томограмм легких — в таких газах все атомы находятся в одном и том же внутреннем состоянии, что позволяет «видеть» по их отклику заполняемый ими объем.

Управлять скоростью атома или его положением не так уж сложно, гораздо сложнее выделить для контроля ровно один атом. Но и это сделать можно. Один из подходов к такому выделению атома реализуется с помощью лазерного охлаждения. Для контроля всегда удобно иметь известное начальное положение, совсем хорошо, если атом при этом еще и не движется. Лазерное охлаждение позволяет достичь и того и другого, локализовать атомы в пространстве и охладить их, то есть свести их скорость практически к нулю. Принцип лазерного охлаждения тот же, что у реактивного самолета, только последний испускает струю газа, чтобы разогнаться, а в первом случае атом, наоборот, поглощает поток фотонов (частиц света) и тормозится. Современные методы лазерного охлаждения позволяют охладить миллионы атомов до скоростей пешехода и ниже. Дальше в игру вступают различного рода пассивные ловушки, например дипольная ловушка. Если для лазерного охлаждения используется световое поле, которое атом активно поглощает, то для его удержания в дипольной ловушке частоту света подбирают вдали от всякого поглощения.

Оказывается, что сильно сфокусированный лазерный свет способен поляризовать мелкие частицы и пылинки и втягивать в область наибольшей интенсивности света. Атом не является исключением и также втягивается в область самого сильного поля. Оказывается, что если сфокусировать свет максимально сильно, то в такой ловушке может удержаться только ровно один атом. Дело в том, что если в ловушку попадает второй, то он оказывается настолько сильно прижат к первому, что они образуют молекулу и при этом выпадают из ловушки. Впрочем, такая острая фокусировка является не единственным способом выделения единственного атома, можно использовать и свойства взаимодействия атома с резонатором для заряженных атомов, ионов, можно использовать электрические поля для захвата и удержания ровно одного иона и так далее. Можно и вовсе возбудить один атом в достаточно ограниченном ансамбле атомов в очень высоко возбужденное, так называемое ридберговское состояние. Атом, раз возбудившись в ридберговское состояние, блокирует возможность возбуждения соседей в такое же состояние и, если объем с атомами достаточно мал, будет единственным.

Так или иначе, после того как атом пойман, им можно управлять. Внутреннее состояние можно менять световыми и радиочастотными полями, используя нужные частоты и поляризацию электромагнитной волны. Можно перевести атом в любое наперед заданное состояние, будь то определенное состояние — уровень или их суперпозиция. Вопрос лишь наличия нужных частот и возможности сделать достаточно короткие и мощные управляющие импульсы. В последнее время появилась возможность более эффективно управлять атомами, удерживая их в окрестности наноструктур, что позволяет не только «разговаривать» с атомом более эффективно, но и использовать сам атом — точнее, его внутренние состояния — для управления потоками света, а в будущем, возможно, и для целей вычислений.

Управление позицией атома, удерживаемого ловушкой, совсем уже простая задача — достаточно подвинуть саму ловушку. В случае дипольной ловушки подвинуть пучок света, что можно сделать, например, подвижными зеркалами для лазерного шоу. Скорость атому можно придать опять же реактивным образом — заставить поглотить свет, а ион легко можно разогнать электрическим полями, так же как это делалось в электронно-лучевых трубках. Так что на сегодня принципиально сделать с атомом можно все что угодно, вопрос лишь времени и приложенных усилий.

Алексей Акимов

кандидат физико-математических наук, руководитель группы «Квантовые симуляторы» Российского квантового центра, преподаватель МФТИ, сотрудник ФИАН, исследователь в Harvard University

Атом неделим

Отчасти правда, отчасти нет. Википедия дает нам следующее определение: «Атом (от др.-греч. ἄτομος — неделимый, неразрезаемый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов».

Сейчас любой образованный человек представляет атом в модели Резерфорда, коротко представленной последним предложением этого общепринятого определения. Казалось бы, ответ на поставленный вопрос/миф очевиден: атом — составной и сложный объект. Однако ситуация не столь однозначна. Древние философы вкладывали в определение атома скорее смысл существования элементарной и неделимой частицы материи и вряд ли связывали проблему со структурой элементов таблицы Менделеева. В атоме Резерфорда мы такую частицу действительно находим — это электрон.

Электрон в соответствии с современными представлениями, укладывающимися в так называемую Стандартную модель, представляет собой точку, состояние которой описывается положением и скоростью. Важно, что одновременное задание этих кинематических характеристик невозможно вследствие принципа неопределенности Гейзенберга, но, рассматривая только одну из них, например координату, можно определить ее со сколь угодно высокой точностью.

Можно ли тогда, используя современную экспериментальную технику, попытаться локализовать электрон на масштабе, существенно меньшем атомного размера (~0,5×10–8 см), и проверить его точечность? Оказывается, что при попытке локализовать электрон на масштабе так называемой комптоновской длины волны — примерно в 137 раз меньше размера атома водорода — электрон будет взаимодействовать со своей антиматерией и система станет неустойчивой.

Точечность и неделимость электрона и других элементарных частиц материи является ключевым элементом принципа близкодействия в теории поля и присутствует во всех фундаментальных уравнениях, описывающих природу. Таким образом, древние философы были не так далеки от истины, предполагая, что неделимые частицы материи существуют.

Дмитрий Куприянов

доктор физико-математических наук, профессор физики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, зав. кафедрой Теоретической физики СПбГПУ

Электрон похож на бильярдный шар

Науке это пока неизвестно. Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, предполагала, что электроны вращаются вокруг атомного ядра, подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. При этом естественно было предположить, что электроны — это твердые шарообразные частицы. Классическая модель Резерфорда была внутренне противоречивой. Со всей очевидностью движущиеся ускоренно заряженные частицы (электроны) должны были бы терять энергию за счет электромагнитного излучения и в конце концов падать на ядра атомов.

Нильс Бор предложил запретить этот процесс и ввести определенные требования к радиусам орбит, по которым движутся электроны. Феноменологическая модель Бора уступила место квантовой модели атома, разработанной Гейзенбергом, и квантовой же, но более наглядной модели атома, предложенной Шрёдингером. В шрёдингеровской модели электроны — это уже не мячики, летающие по орбите, а стоячие волны, которые, как облака, нависают над атомным ядром. Форма этих «облаков» описывалась введенной Шрёдингером волновой функцией.

Сразу же возник вопрос: в чем физический смысл волновой функции? Ответ предложил Макс Борн: квадрат модуля волновой функции — это вероятность найти электрон в данной точке пространства. И вот тут начались сложности. Встал вопрос:, а что это значит — найти электрон в данной точке пространства? Не следует ли понимать утверждение Борна как признание, что электрон — это маленький шарик, который летает по некоторой траектории и который можно поймать в определенной точке этой траектории с некоторой вероятностью?

Именно такой точки зрения придерживались Шрёдингер и примкнувший к нему в этом вопросе Альберт Эйнштейн. Им возражали физики Копенгагенской школы — Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, которые утверждали, что между актами измерения электрон просто не существует, а значит, говорить о траектории его движения не имеет смысла. Дискуссия Бора и Эйнштейна об интерпретации квантовой механики вошла в историю. Победителем оказался вроде бы Бор: ему удалось, хотя и не очень внятно, опровергнуть все парадоксы, сформулированные Эйнштейном, и даже знаменитый парадокс «кота Шрёдингера», сформулированный Шрёдингером в 1935 году. В течение нескольких десятилетий большинство физиков соглашалось с Бором в том, что материя — это не объективная реальность, данная нам в ощущениях, как учил Карл Маркс, а нечто, возникающее только в момент наблюдения и не существующее без наблюдателя. Интересно, что в советское время кафедры философии в вузах учили, что такая точка зрения — это субъективный идеализм, то есть течение, идущее вразрез с объективным материализмом — философией Маркса, Энгельса, Ленина и Эйнштейна. В то же время на кафедрах физики студентов учили, что концепции Копенгагенской школы являются единственно правильными (возможно, потому, что к этой школе принадлежал самый известный советский физик-теоретик — Лев Ландау).

В настоящий момент мнения физиков разделились. С одной стороны, Копенгагенская интерпретация квантовой механики продолжает пользоваться популярностью. Попытки экспериментальной проверки справедливости этой интерпретации (например, успешная проверка так называемого неравенства Белла французским физиком Аленом Аспэ) пользуются почти единодушным одобрением научной общественности. С другой стороны, теоретики совершенно спокойно обсуждают альтернативные теории, например теорию параллельных миров. Возвращаясь к электрону, можно сказать, что его шансы остаться бильярдным шаром пока не очень велики. В то же время они отличны от нуля. В 20-е годы XX века именно бильярдная модель комптоновского рассеяния позволила доказать, что свет состоит из квантов — фотонов. Во многих задачах, имеющих отношение к важным и полезным приборам (диодам, транзисторам), электрон удобно считать бильярдным шариком. Волновая природа электрона важна для описания более тонких эффектов, например отрицательного магнитосопротивления металлов.

Философский вопрос о том, существует ли шарик-электрон между актами измерения, в обычной жизни не имеет большого значения. Однако этот вопрос продолжает оставаться одной из наиболее серьезных проблем современной физики.

Алексей Кавокин

кандидат физико-математических наук, профессор Университета Саутгемптона, руководитель группы квантовой поляритоники Российского квантового центра, научный директор Средиземноморского института фундаментальной физики (Италия)

Атом можно полностью разрушить

Это правда. Ломать не строить. Разрушить можно все что угодно, в том числе и атом, с какой угодно степенью полноты. Атом в первом приближении представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами. Первое разрушительное действие, которое можно совершить по отношению к атому, — оторвать от него электроны. Это можно сделать по-разному: можно сфокусировать на нем мощное лазерное излучение, можно облучить быстрыми электронами или другими быстрыми частицами. Атом, потерявший часть своих электронов, называется ионом. Именно в таком состоянии атомы пребывают на Солнце, где температуры настолько высоки, что сохранить свои электроны в столкновениях атомам практически не удается.

Чем больше электронов потерял атом, тем труднее оторвать остальные. В зависимости от атомного номера атом обладает большим или меньшим числом электронов. У атома водорода электрон вообще один, и он частенько теряет его даже в обычных условиях, и именно водород, потерявший свои электроны, определяет pH воды. Атом гелия имеет два электрона, и в полностью ионизованном состоянии носит название альфа-частицы — такие частицы мы уже ожидаем скорее от ядерного реактора, чем от обычной воды. Атомы, содержащие много электронов, требуют еще больше энергии для отрыва всех электронов, но тем не менее оторвать все электроны можно у любого атома.

Если все электроны оторваны, то остается ядро, но и его можно разрушить. Ядро состоит из протонов и нейтронов (обобщенно адронов), и, хотя они довольно сильно связаны, налетающая частица достаточно большой энергии может их разорвать. Тяжелые атомы, в которых нейтронов и протонов слишком много, имеют тенденцию разваливаться сами, выделяя довольно большую энергию — на этом принципе и основаны ядерные электростанции.

Но ведь даже если разбить ядро, оторвать все электроны, остаются исходные частицы: нейтроны, протоны, электроны. Их, конечно же, тоже можно уничтожить. Собственно, этим и занимается Большой адронный коллайдер, который разгоняет протоны до огромных энергий, полностью разрушая их в столкновениях. При этом рождается множество новых частиц, которые и изучает коллайдер. Так же можно поступить и с электронами, и с любыми другими частицами.

Энергия разрушенной частицы не исчезает, она распределяется между другими частицами, и если их достаточно много, то быстро проследить исходную частицу в море новых превращений становится невозможно. Все можно разрушить, исключений нет.

Алексей Акимов

кандидат физико-математических наук, руководитель группы «Квантовые симуляторы» Российского квантового центра, преподаватель МФТИ, сотрудник ФИАН, исследователь в Harvard University

ПостНаука