Атом Томсона

Но в книге Томсона содержится не только эта замечательная идея. Он вплотную подходит к решению задачи о строении излучающего атома. Сегодня всем хорошо известна эта модель, покинутая наукой для модели Резерфорда-Бора. Но любопытно, что современная наука время от времени вспоминает о построениях Томсона не только с целью критики. Томсон проявил огромную изобретательность, пытаясь найти сочетания электронов в атоме, наилучшим образом удовлетворяющие требованиям химиков и спектроскопии. Предшественником Томсона в этой модели явился его знаменитый однофамилец Вильям Томсон (лорд Кельвин). В 1902 г. в статье, носившей характерное название "Эпинус атомизированный", в которой он вспоминает о теории современника Ломоносова, петербургского академика Эпинуса, он выдвинул модель атома Эпинуса. Атом Эпинуса представляет собой равномерно заряженную положительным электричеством сферу, в центре которой находится отрицательный электрон. Д. Д. Томсон развил эту модель, предполагая, что внутри сферы вращаются электроны, число и конфигурация которых зависят от природы атома. Эту концепцию, намеченную им в его книге, он развил в специальной статье 1904 г. и затем в лекциях, читанных весной 1906 г. в Королевском институте. Эти лекции составили его известную книгу "Корпускулярная теория вещества", вышедшую в 1907 г. Он предполагает, что электроны (называемые им в то время корпускулами) "являются существенной частью в структуре атомов различных элементов". Эти частицы распределены в положительно заряженной части атома, которую он для удобства математических расчетов представляет равномерно заряженной сферой. Основную проблему своей теории атома он формулирует так:

"Каким образом должны располагаться 1, 2, 3, ... , вообще n корпускул, если поместить их в шаре, причем совокупность отрицательных зарядов на корпускулах равна положительному заряду в шаре".

В случае одного электрона получаем простую комбинацию "атома Эпинуса". Рассчитывая энергии шара с двумя корпускулами и двух шаров, каждый с одной корпускулой в центре, Томсон находит, что энергетически выгоднее будет первая система. "Следовательно, группа двух корпускул внутри одного шара будет иметь большую устойчивость, чем группа из двух шаров с одной корпускулой в каждом". Далее он разбирает случаи 3, 4 и 6 корпускул. Он указывает далее, что общая задача, поставленная им, очень сложна, и ему не удалось решить ее. Однако в частном случае, когда корпускула лежит в одной плоскости, проходящей через центр шара, ему удалось найти решение, которое он и опубликовал в статье, упомянутой выше и вышедшей в марте 1904 г. В книге же Томсон приводит только результаты этой статьи. Оказывается, что для равновесия при числе корпускул больше 5 они должны располагаться в виде системы концентрических колец. Томсон получил следующие числа для электронов в кольцах.

До числа 5 все корпускулы располагаются в одном кольце, в котором последовательно будет 1, 2, 3, 4, 5 электронов. Далее идут группы с двумя кольцами с числами электронов в них

Затем группа с тремя кольцами, четырьмя, пятью, шестью и наконец семью:

Для экспериментального обоснования этих чисел Томсон ссылается на старые опыты (1879) американского физика А. М. Майера. Майер изготовил большое количество маленьких магнитов, представляющих собой намагниченные стальные иголки. Эти иголки воткнуты в пробковые кружочки, плавающие на поверхности воды. Они-то и имитируют корпускулы Томсона. Так как все иголки обращены наружу одинаковыми полюсами, то они взаимно отталкиваются. Притягательная сила исходит от помещенного над ними большого магнита, полюс которого противоположен по знаку полюсам стрелок и обращен к ним. Сила, исходящая из большого магнита, дает составляющую параллельную поверхности воды и направленную к точке, расположенной под полюсами. Эта составляющая приблизительно пропорциональна расстоянию от этой точки. Опыт дает те конфигурации стрелок, которые соответствуют числам, полученным Томсоном. "Эта экспериментальная иллюстрация,- пишет Томсон,- приводит к такому же заключению, как и аналитическое исследование: группа корпускул, находящихся в одной плоскости, располагается в виде ряда колец, и число корпускул в кольце возрастает с увеличением его радиуса".

Распределение корпускул в кольцах (первая модель оболочек!), по Томсону, обнаруживает определенные сходства в вертикальных столбцах его таблицы. Так, например, в первом вертикальном столбце его таблицы идет группа из 5 и 1 корпускул, затем группа 11, 5, 1 корпускул, за ней 15, 11, 5, 1, далее 17, 15,11, 5, 1 за нею 21,17, 15,11,5,1 и наконец 24, 21, 17, 15, 11, 5, 1. Как видим, каждая последующая группа отличается от предыдущей добавлением нового кольца. Поэтому атомы, стоящие в одном столбце, имеют много общего как в оптических, так и других физических свойствах, а также в химических свойствах. "Словом, мы можем ожидать, что различные элементы, соответствующие группам корпускул в одном и том же вертикальном столбце, имеют много общих свойств как химических, так и физических".

Модель Томсона отнюдь не статическая, как часто ее представляют в учебниках. Это динамическая модель оболочек. Корпускулы в каждой оболочке (кольце) совершают периодические движения, которые Томсон называет колебаниями. Эти колебания бывают двух родов, во-первых, вращения корпускул по круговым орбитам. При одинаковой скорости вращения корпускул в атомах "число колебаний, обусловленных вращением кольца корпускул, пропорционально их числу в кольце". "Поэтому,- продолжает Томсон,- спектр каждого из элементов, соответствующих корпускулярным группам, помещенным в одном вертикальном столбце таблицы, должен обнаружить ряд линий, числа колебаний которых находятся в постоянном отношении друг к другу; отношение это равно отношению чисел, выражающих количества корпускул в различных кольцах".

Исследуя устойчивость комбинаций электронов, Д. Д. Томсон дает физическую интерпретацию валентности.

Таким образом, Томсон предпринял первую реальную попытку найти физическое объяснение химическим свойствам атомов и периодического закона Менделеева. Оценивая эту попытку, выдающийся русский химик Л. А. Чугаев писал: "Атомы модели Томсона в их взаимоотношении действительно представляют многие черты, характеризующие периодическую систему. Правда, мы не находим еще здесь полного подобия между действительностью и ее теоретическим воспроизведением, но это не удивительно, так как Томсон простоты ради должен был сузить свою задачу, искусственно свести расположение электронов к одной плоскости, т. е. допустить расположение, которое a priori едва ли можно считать правдоподобным. Кроме того, положительная сфера, вопреки его собственному мнению (Чугаев имеет в виду идею Томсона о неоднородности положительной сферы, состоящей из более плотного ядра и менее плотной периферии), принимается однородной. Во всяком случае, в теории кольчатого строения атомов мы имеем замечательную попытку найти новый путь для решения самой глубокой проблемы химии, и можно надеяться, что дальнейшее развитие этой теории приведет к результатам первостепенной важности"^*. Мы знаем, что теория Томсона не оправдала возлагаемых на нее надежд, тем не менее ее важное значение в истории атомной физики не подлежит сомнению.

^* ("Итоги науки в теории и практике", т. II. М., Изд-во' "Мир", 1911, стр. 573.)