Валерий Чолаков
Нобеловите награди (8) (Учени и открития (1901–1982))

Модели на атома

Концепцията за атома възниква за първи път в древна Гърция. Демокрит и други древни философи изказват мисълта, че светът около нас е изграден от частици, които сами повече не могат да се делят и са основните тухлички на веществото. Оттам и названието атом — „неделим“.

Науката откри за себе си атома едва в началото на 19 век. Първата съвременна теория за строежа на веществото от ограничен брой частици бе създадена в 1803 г. от английския учен Джон Далтон. Така, след философите, с атома се заеха химиците. Трябваше да минат още 100 години, за да могат физиците да покажат, че тази „неделима“ частица е доста сложна система, която крие в себе си голям брой от загадките на природата. Изследванията на редица учени от края на 19 и началото на 20 век посочиха, че електричеството и светлината имат дискретен характер, т.е. състоят се от частици. Тези представи бяха използвани за създаването на различни модели на атома, които все повече се доближаваха до истинската картина.

Най-напред през 1903 година известният Дж. Дж. Томсън предложи на учения свят своя „пудинг със стафиди“. Той виждаше атома като сфера, в която равномерно са разпределени малките електрончета. Сферата е заредена положително и се неутрализира от отрицателния заряд на електроните, затова като цяло системата е в равновесие. Моделът на Томсън обясняваше донякъде възможностите за изпускане, разсейване и поглъщане на светлината и няколко години се радваше на популярност. Това е добър пример как един модел може да обяснява явленията, без да има нищо общо с действителността.

Приблизително по същото време френският учен Жан Перен предложи планетарния модел на атома. В него явленията, свързани със свойствата на атомите, се обясняваха с орбиталното движение на електроните. Подобна бе идеята и на японския физик Хантаро Нагаока. В 1904 г. той предложи т.нар. Сатурнов модел на атома, в който електроните образуват около централното ядро пръстен като този около планетата Сатурн. Тези първи модели на атома бяха до голяма степен умозрителни и не се задържаха дълго във физиката. Едва след появата на нови експериментални данни стана възможно да се изясни истинското положение на нещата.

През 1906 г. английският учен Ърнест Ръдърфорд се зае да изучава взаимодействието между алфа-частиците и веществото. Той замисли опити, при които тънко златно фолио да се обстрелва от поток частици. Експериментите бяха възложени на новозеландския физик Ърнест Марсден, който беше сътрудник на Ръдърфорд в Манчестерския университет. В 1909 г. той откри заедно с Ханс Гайгер — един друг асистент на Ръдърфорд, че много рядко, веднъж на 8 000 случая, алфа-частицата отскача от мишената, като че се е блъснала в масивна преграда. Резултатите бяха толкова неочаквани, че Марсден дълго не се решаваше да ги докладва на Ръдърфорд, смятайки, че става дума за грешка. Самият Ръдърфорд бе много изненадан и после често казваше, че това е изглеждало тъй невероятно, както ако изстрелян снаряд отскочи от лист хартия.

Към 1911 г. бяха натрупани вече доста експериментални данни и Ръдърфорд излезе със своя добре известен планетарен модел на атома, който почиваше на преки наблюдения. За първи път се даваха конкретни данни за размера на атома и неговото малко положително заредено ядро, което отблъскваше алфа-частиците. Около ядрото, сто хиляди пъти по-малко от самия атом, кръжат отрицателно заредените електрони, както планетите около Слънцето. Но планетарният модел на Ръдърфорд също имаше проблеми, защото се основаваше на класическата физика. Според нейните представи въртящият се електрон би трябвало непрекъснато да излъчва и в резултат на това много бързо да падне върху ядрото. Моделът на Ръдърфорд бе само на една крачка от истината и тази крачка бе направена от датския физик Нилс Бор.

В 1913 г. Бор обедини идеите на Планк и Айнщайн със схващанията на Ръдърфорд и постулира, че електроните се движат около ядрото само по такива орбити, при които нито излъчват, нито поглъщат енергия. По-нататък той показа, че излъчването и поглъщането става само на кванти, като при това електронът преминава от една орбита в друга. С помощта на теорията на Бор много лесно се извеждаше константата на Ридберг и други резултати, получени от експерименталната спектроскопия. Още на следващата година Лайман извърши спектрални измервания в ултравиолетовата област, които потвърждаваха новия модел.

Идеите на Нилс Бор за строежа на атома положиха началото на нова ера в атомната теория. Това бе синтез на резултати, получени от оптиката, електромагнетизма и изследванията върху радиоактивността. Новият строеж на атома веднага показа своята продуктивност в спектроскопията и теорията на химичната връзка. Това бе скъсване с класическите представи и начало на широкото въвеждане на квантовите идеи в съвременната наука. За създаването на квантовата теория на планетарния атом Нилс Бор бе удостоен с Нобеловата награда по физика за 1922 г.