Атом Томсона

В 1902 г. Кельвин предложил модель атома, в которой положительный заряд считался распределенным в некоторой небольшой области пространства, возможно сферической формы, тогда как электроны вкраплены в этот заряд подобно изюму в пироге (фиг. 65). Так как колеблющиеся электроны должны, согласно теории Максвелла, излучать свет, эти электроны и положительный заряд в невозмущенном состоянии атома покоятся. (Было не ясно, как такое распределение зарядов может находиться в устойчивом положении, ибо уже было известно, что система заряженных частиц не может покоиться под действием только электрических сил; однако можно было предполагать, что внутри атома действуют и какие-то другие силы.)

Дж. Дж. Томсон развил эту идею и, в частности, исследовал такие конфигурации корпускул (электронов), которые могли быть устойчивыми (при заданном распределении положительного заряда¹⁾). Он выдвинул предположение, что устойчивые конфигурации электрических зарядов соответствуют химически неактивным элементам (таким, как благородные газы), в то время как менее устойчивые конфигурации—-более активным элементам. Таким образом он намеревался -объяснить периодическую таблицу элементов.

Когда атом Томсона возбуждался (например, в пламени свечи), колебаться начинали только легкие электроны, более же тяжелый положительный заряд оставался в покое. Именно эти колебания вызывали, вероятно, наблюдаемый спектр, причем различным конфигурациям электронов соответствовали различные комбинации спектральных линий, образующие своего рода роспись атома. Из измеренных значений длин волн испускаемого атомами света Томсону удалось оценить размеры области, занятой положительным зарядом. Чтобы видимый свет с такими длинами волн мог испускаться атомами, радиус сферической области, занятой положительным зарядом, должен был быть порядка 10^-8 см, что прекрасно согласовывалось с оценками размеров атома, полученными ранее из кинетической теории. Хотя Томсону и не удалось объяснить детальную структуру наблюдаемых спектров и, хотя его модель наталкивалась на серьезные трудности, из его результатов было ясно, что данное направление исследований является перспективным.

То, чем занимались Томсон и его коллеги, все еще не выходило за рамки классической теории. В то время считалось, что уравнения Максвелла описывают явления электромагнетизма, а уравнения Ньютона, подправленные, если нужно, с учетом теории относительности (везде в дальнейшем под уравнениями Ньютона мы будем подразумевать релятивистские уравнения), описывают движение материи. Предполагалось, что между внутриатомными частицами действуют в основном электрические силы, так как соответствующие гравитационные силы слишком малы в сравнении с электрическими. Таким образом, все представления были целиком классическими, а попытки создать модель атома сильно напоминали более ранние попытки построения моделей газа или твердого тела. Известные или недавно открытые «материалы» пытались скомбинировать с помощью известных правил таким образом, чтобы получающаяся конструкция обладала требуемыми свойствами.

1) Предполагалось, что положительный заряд удерживается и системе силами не электрического происхождения.

«Hypotheses non fingo (гипотез не измышляю)», — говорил Ньютон. — О природе гравитации я не делаю никаких предположений». О природе же атома, как мы видим из нашего повествования, было сделано множество предположений. Величина отношения заряда к массе частиц, связанных с катодными лучами, казалась установленной надежно. Однако равенство этого заряда заряду ионов было предположением; предположением было также и то, что основная масса атома сосредоточена в его положительном заряде и что распределенный положительный заряд и вкрапленные в пего подобно изюму в пудинге электроны могут находиться в равновесии и т. д. Позднее оказалось, что некоторые из этих предположений были верны, другие же нет. Но в таком деле, как создание модели атома, стоило рисковать. Оглядываясь теперь назад, мы видим, что было бы, конечно, разумнее не делать никаких предположений относительно природы жидкости, через которую распространяются электрические и магнитные поля. Что же касается атома (если допустить, что он существует), делать предположения было абсолютно необходимо, так как из этих предположений вытекали определенные следствия. Если эти следствия не согласовывались с опытом, соответствующие предположения отбрасывались. Когда же оказалось, что наиболее разумные предположения противоречат идеям классической физики, пришлось признать, что классическая физика к данному объекту неприменима.