Глава 3. Современные представления о строении вещества

Современный период развития химии начался с 60-х лет прошлого века и длится до наших дней. Это работы Менделеева, Бутлерова, Кекуле, и многих, многих других.

В конце 19-го века положение дел в физике и химии казались вполне удовлетворительными. Термодинамика, статистическая механика, теория электромагнитного поля, прежде всего, работы Максвелла, достигли больших успехов в объяснении свойств материи. Менделеевым был открыт Периодический закон (свойства химических элементов находятся в перио-дической зависимости от их атомных масс), была разработана Таблица периодической системы, имевшая предсказательную силу. Благодаря работам Дальтона, Станислао Канниццаро, Авогадро было установлено, что химические соединения построены из определенного числа атомов различных элементов, имеющих индивидуальные атомные массы, и была составлена согласованная и надежная таблица атомных масс. Была подтверждена гипотеза Авогадро (1811г.) о том, что при одинаковых темпе-ратуре и давлении в равных объемах любых газов содержится равное количество молекул, было определено это количество N=6, 022 x 10²³ и объем газа в моле – 22,4 л.

Броуновское движение частиц жидкости, открытое Броуном в19 веке, было одним из краеугольных камней в кинетической теории материи, философской идеей которой было свести все явления в природе к механическому взаимодействию между частицами материи. В конце 19 века у ученых созрела уверенность в том, что в механике будущий путь движущегося тела может быть предсказан, а его прошлое раскрыто, если известны для данного момента условия движения тела и действующие на него силы (иными словами траектория и импульс движения). Все явления можно объяснить действием сил, представляющих собой притяжение или отталкивание, зависящих только от расстояния между частицами. Это воззрение, вышед-шее из механики, успешно описывало явления теплоты – лишнее доказа-тельство универсальности классической теории материи.

Первые трудности этой теории начались при изучении электро-магнетизма, далее – при изучении природы света. В середине 19 века шли бурные споры о корпускулярной или волновой природе света: победили сторонники волновой природы, хотя для этого они ввели понятие эфира, в котором движется волна.

Окончательно покончить с механистическим подходом помогли работы Фарадея, Максвелла и Герца. Фарадей своими опытами показал, что изменение электрического поля сопровождается магнитным полем. Он открыл индукционные токи. Максвелл вывел уравнения, математически объ-

ясняющие структуру поля. Теория Максвелла утверждала: электромагнит-ная волна распространяется в пустом пространстве, а также, что скорость электромагнитных волн равна скорости света.. Экспериментально это было показано Герцом.

Но в том же конце 19-го века произошли открытия, которые посеяли сомнения в неделимости атомов. Это были: открытие рентгеновских лучей (1895 г.) Рентгеном и радиоактивности (1896 г.) Беккерелем с последующим открытием новых радиоактивных элементов – полония и радия супругами Кюри в 1998 г. А там, где есть сомнения, появляются и новые объяснения, в частности, того, как устроен атом. Появились модели атома Томсона и Резер-форда. Не останавливаясь подробно на рассмотрении этих моделей, отметим, что Планетарная модель атома Резерфорда – электроны располагаются вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов, при этом количество электронов равно количеству протонов в ядре,не согласовывалась с классической физикой, согласно которой электроны должны были либо упасть на ядро, либо, если они вращаются вокруг него, непрерывно испус-кать энергию и все равно приближаться по спирали к ядру.

В это время было установлено, что радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, а затем и рентгеновские и гамма-лучи представляют собой электромагнитные волны с различной длиной волны, распространяющиеся с постоянной скоростью с = 2,9 10¹⁰ см/с. Между скоростью с и длиной волны l существует зависимость с = nl , где n - частота (число колебаний в секунду).

Величина, обратная длине волны, называется волновым числом.n=1/l., измеряемым в обратных сантиметрах.

Квантовая механика.В 1900 году Макс Планк выдвинул предполо-жение, что энергия электромагнитного излучения выделяется порциями, или квантами, причем энергия одного кванта излучения пропорциональна час-тоте излучения:

Е = hn

Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планкаи имеет значение 6,62 10^-34 Дж·с. Частота колебаний n и длина волны l связаны простым соотношением

l · n = с (скорость света)

Гипотеза Планка была подтверждена открытием фотоэффекта (выбивание электронов из поверхности под действием света) А.Эйнштейном. Кванты света получили название фотонов.

Открытие Планком универсального кванта действия опровергало старое уче-ние об ограниченной делимости материи.

Планк весьма осторожно избегал окончательных выводов о том, в какой мере существование кванта действия означает отход от основных законов механики и электродинамики. Сущность же великого вклада Эйнштейна в квантовую теорию (1905) как раз и состояла в признании того, что такие физические явления, как фотоэффект, могут непосредственно зависеть от индивидуальных квантовых эффектов.

Безошибочная интуиция Эйнштейна привела его шаг за шагом к выводу, что всякий излучательный процесс состоит из испускания или поглощения индивидуальных световых квантов или “фотонов” с энергией и количеством движения E = hν. Представление о фотоне, при всей его плодотворности, выдвинуло совершенно непредусмотренную дилемму, поскольку всякая корпускулярная картина излучения явно несовместима с явлениями интерференции, которые представляют важную особенность процессов излучения и могут быть описаны только при помощи волновой картины.

Было признано, что свет обладает не только волновыми, но и корпус-кулярными свойствами. Фотон существует только в движении. Он не имеет массы покоя m_0. Его масса определяется на основании соотношения из теории относительности Эйнштейна Е = mc².

Итак, фотон – это частица света, обладающего волновыми свойствами. Иными словами, для фотона характерен дуализм: синтез свойств и волны, и частицы.

Напомню, что поле от вещества отличается отсутствием у его дискретных частиц, в частности, у фотона, массы покоя. Те частицы, которые образуют вещество (большинство элементарных частиц), имеют конечную массу покоя.

Возникает вопрос – только ли для фотона характерна двойственная природа, или иные частицы, например, электрон, также проявляют свойства волны-частицы?