У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро

Весьма вероятно, что мы никогда ничего не узнаем об атомах.

Антуан Лавуазье, французский химик

Сын квакеров из Камберленда (Англия) Джон Дальтон (1766-1844) начал свою научную карьеру как метеоролог. Считается, что его представления об атоме происходят именно от исследований атмосферы. Дальтон был первым, кто обнаружил, что воздух являет собой неоднородную субстанцию и состоит в основном из азота (80%) и кислорода (примерно 20%). Он также описал дальтонизм, особенность зрения, названную его именем. Дальтон много внимания уделял преподаванию и основал академию. По поводу атомной теории в 1804 году он написал следующее:

"1. Существуют мельчайшие частицы, атомы, из которых состоит материя. 2. Атомы неделимы, их невозможно разрушить. 3. Атомы одного химического элемента имеют одинаковые химические свойства, не преобразуются и не изменяются в других элементах".

В концепции кратных отношений, предложенной Дальтоном, известной как закон Дальтона и до сих пор включенной в начальный курс химии, важен принцип сохранения массы. В любой химической реакции масса реактивов будет равна массе продуктов.

Ученым, наконец поместившим атомную теорию в центр химического знания своей эпохи, стал Джон Дальтон (1766- 1844). Он прибег к старой концепции атомизма для объяснения открытого им относительного атомного веса элементов.

Школьный учитель Дальтон в 1803 году провозгласил свой так называемый закон кратных отношений, согласно которому разные химические элементы комбинируются друг с другом, как небольшие целые числа. Закон сформулирован так:

"Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого, соотносятся между собой как небольшие целые числа".

Дальтон интерпретировал кратные отношения как доказательство атомизма. Если представить, что определенное соединение состоит из атомов разных элементов, имеющих определенную массовую пропорцию, тогда даже если мы возьмем большое количество соединений, пропорция останется неизменной. Дальтон открыл макроскопическую характеристику — постоянное отношение масс компонентов гетерогенного вещества с массами компонентов вещества — и интерпретировал ее как следствие явлений, имевших место на микроскопическом уровне, и специфическую комбинацию разных видов атомов.

В отношении атомов Дальтон настаивал, что они неделимы, что их невозможно ни создать, ни уничтожить, то есть в химических процессах происходит лишь изменение комбинаций атомов. Он выяснил, что каждый элемент состоит из атомов одного типа, схожих между собой и различающихся с атомами других элементов. Одна из отличительных характеристик, которые Дальтон установил для них, относилась к атомному весу. Он также утверждал, что атомы комбинируются при создании химических соединений.

Его убежденность в том, что атомы невозможно разрушить, привела его к отстаиванию закона о сохранении материи (ранее предложенного Лавуазье): "Мы могли бы с таким же успехом попытаться внести в Солнечную систему новую планету или уничтожить одну из уже существующих, как и создать или уничтожить частицу водорода". Тем не менее труды Резерфорда, которые мы рассмотрим в следующей главе, позволили доказать, что представление Дальтона было неполным.

В XIX веке многие ученые полагали, что переход от макроскопического к микроскопическому миру, понимание которого основывалось на научном эксперименте, неприемлем ввиду невозможности непосредственного наблюдения микроскопического мира. Критики атомизма нашли много аргументов, отстаивая свою позицию в рамках позитивизма. Для основателя этого философского движения, французского социолога Огюста Конта (1798-1857), наука опиралась на констатацию фактов. Любое утверждение, касающееся окружающей реальности, не подпитанное фактами, расценивалось как метафизическое размышление и отвергалось наукой. С точки зрения позитивизма атомизм обладал всеми чертами метафизического пустословия.

Одним из наиболее настойчиво противостоявших атомизму ученых был Жан-Батист Дюма (1800-1884):

"Что остается от амбициозного экскурса, совершенного нами в сферу атомов? Похоже, ничего основательного. Разве только убеждение, что химия сбивается с пути всякий раз, когда оставляет дорогу эксперимента и пытается продвигаться в потемках [...]. Если бы я мог, я бы вычеркнул слово "атом" из науки, потому что убежден: это понятие выходит далеко за пределы экспериментов".

Критика атомов наталкивалась на полярное к ним отношение других химиков, например Уильяма Праута, который в 1815 году пришел к выводу, что все атомы на самом деле являются соединениями атомов водорода (что напрямую связано с доказательством Резерфорда).

Кто-нибудь когда-нибудь видел молекулу газа или атом?

Марселен Бертло (1827-1907), французский химик и историк

Появлялось все больше свидетельств существования атомов, но из-за отсутствия возможности прямой проверки ученые предпочитали отвергать гипотезу, стремясь исключить из науки чисто умозрительные измышления, к тому же многие из них считали прямую проверку чем-то выходящим за пределы человеческих возможностей.

Согласно кинетической теории газов газ состоит из атомов и молекул, находящихся в постоянном движении, сталкивающихся между собой и со стенками сосуда. При большем количестве накопленной энергии частицы двигаются быстрее, столкновений больше, а температура увеличивается.

Острая полемика, возникшая в химической науке, распространилась и на физику. Теперь сторонники атомов включили в обсуждение термодинамику и изучение теплоты. Если в отношении теплоты еще можно отметить, что физики сконцентрировались на изучении макроскопических факторов и наблюдаемых в действительности явлений, то открытия Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана перевернули данное представление. Оба ученых исследовали известные понятия с позиции движения атомов, при этом они не ограничились индивидуальной траекторией отдельного атома, а попытались рассчитать статистическое поведение множества атомов.

Согласно этой теории газ состоит из множества атомов, которые сталкиваются между собой и со стенками сосуда, в котором находится газ, как бильярдные шары (см. рисунок). Максвелл и Больцман установили, что средняя энергия отдельного атома газа в постоянном движении связана с давлением и температурой.

Так же как это происходило в химической науке, многие физики с недоверием относились к атомной теории. Тому имелось множество причин, среди которых, например, принцип экономии мысли. Объяснять то, что можно наблюдать, и отказываться от того, что наблюдать нельзя, многим ученым (в их числе австрийцу Эрнсту Маху) представлялось ошибкой.

В 1906 году Больцман, всю жизнь защищавший атомизм, совершил самоубийство, незадолго до того, как Резерфорд вторгся в мир атомов.

Сомнения и конфронтации относительно атомов начали ослабевать в тот момент, когда были открыты составляющие внутренней структуры атома: сначала электроны, позже протоны, несколько десятилетий спустя — нейтроны. От химиков работа перешла в руки физиков (хотя часто сферы исследования обеих дисциплин пересекаются). Французский физик и философ науки Анри Пуанкаре (1854-1912) так охарактеризовал поворот, произошедший в отношении атомов: