Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Popping Open the Atomic Hood and Seeing What’s Inside

Внезапное раскрытие тайны атома и то, что внутри

Сегодня учёные знают, что эти атомы - не самые маленькие кусочки материи, как представляли греки.

Учёные быстро осознали, что атомы внутри состоят из множества частей:

Отрицательно заряженные электроны, вращающиеся вокруг ядра

Положительно заряженные ядра

Частицы, составляющие ядро (оно тоже состоит из ещё меньших кусочков), и электроны, вместе с некоторыми другими, находятся среди тех частиц, которые объясняет Стандартная модель атомной физики, и, в конечном счёте, которые теория струн также должна объяснять.

Открытие электрона

Электрон - это отрицательно заряженная частица, содержащаяся внутри атома.

Он был обнаружен в 1897 г. британским физиком Дж. Дж. Томсоном, хотя заряженные частицы (включая и название "электрон") уже были предсказаны ранее.

Некоторые учёные уже выдвигали гипотезу, что единицы заряда могут переноситься электрическими приборами.

(Бенджамин Франклин выдвинул такую идею по крайней мере в 1700-х годах.)

Техника смогла проверить эту гипотезу только в поздних 1800-х, после создания электронно-лучевой трубки, изображённой на рис.8-1.

Рис. 8-1: Электронно-лучевая трубка позволяет изучать заряженные частицы в вакууме.

В электронно-лучевой трубке пара металлических дисков присоединена к аккумуляторной батарее.

Металлические диски помещены внутрь герметичной стеклянной трубки, не содержащей воздуха - вакуумной трубки.

Из-за электрического напряжения одна из металлических пластин становится положительно заряженной (анод), а другая - отрицательно заряженной (катод).

Электронно-лучевые трубки являются основой традиционных трубок телевизоров и компьютерных мониторов.

Когда включается электрический ток, трубка начинает светиться зелёным.

В 1987 г. Томсон был главой Кавендишской лаборатории в Кембридже, Англия, и приступил к исследованию свойств свечения такой электронно-лучевой трубки.

Он обнаружил, что свечение возникало благодаря лучу отрицательно заряженных частиц, летящих между пластинами.

Эти отрицательно заряженные частицы позднее стали называть электронами.

Томсон также выяснил, что электроны были невероятно лёгкими - в 2000 раз легче, чем атом водорода.

Томсон не единственный обнаружил электрон, но он теоретизировал то, что электрон был частью атома (в то время атомы не были полностью признанной идеей), который каким-то образом был выбит из катода и перелетел через вакуум к аноду.

После этого открытия учёные начали начали находить способы исследования внутреннего состояния атомов.

Ядро - это штука в середине

В центре атома находится плотный шар материи, названный ядром, с положительно заряженным зарядом.

Вскоре после открытия электронов стало ясно, что если извлечь электрон из атома, то он остаётся слегка положительно заряженным.

Некоторое время существовало предположение, что атом был положительно заряженной смесью, содержащей внутри отрицательные электроны, подобно отрицательно заряженным фруктам внутри положительно заряженного пирога.

Весь пирог остаётся нейтральным, пока не извлечь из него несколько фруктов.

(Учёные тех дней, имевшие другие привычки в еде, чем большинство из нас сейчас, вместо фруктового пирога использовали пудинг с изюмом.

Пудинг с изюмом или фруктовый пирог - одинаково неаппетитная картина.)

Однако, в 1909 г., эксперимент Ханса Гейгера и Эрнеста Марсдена, работающих под руководством Эрнеста Резерфорда, изменили эту картину.

Учёные обстреливали положительно заряженными частицами тонкий лист золотой фольги.

Большинство частиц проходило прямо через фольгу, но каждый раз по крайней мере одна из них внезапно отскакивала назад.

Резерфорд заключил, что положительный заряд атома золота не распространялся на весь атом, как в модели фруктового пирога, а был сконцентрирован в маленьком положительно заряженном ядре, при этом остальную часть атома составляло пустое место.

Отскакивающие частицы были единственными, которые сталкивались с этим ядром.

Танец внутри атома

Пытаясь выяснить структуру атома, учёные обратили внимание на природную модель - планетарную модель, изображённую на рис. 8-2.

Электроны двигаются по орбитам вокруг ядра.

Физик Нильс Бор определил, что эти орбиты подчинялись тем же самым квантовым правилам, которые Макс Планк первоначально использовал в 1900 г. - энергия должна переноситься дискретными порциями.

В астрономии Земля и солнце притягиваются друг к другу при помощи гравитации, но так как Земля движется вокруг солнца, они никогда не вступают в контакт.

Подобная модель могла бы объяснить, почему отрицательно и положительно заряженные составляющие атома никогда не сталкиваются.

Первая планетарная модель была предложена в 1904 г. лауреатом нобелевской премии Хантаро Нагаока.

Она была основана на кольцах Сатурна и названа Сатурнианской моделью.

Некоторые детали модели были опровергнуты экспериментом, и Нагаока отказался от модели в 1908 г.. Однако Эрнест Резерфорд переработал эту концепцию в 1911 г. для создания своей собственной планетарной модели, которая лучше соответствовала экспериментальным доказательствам.

Рис. 8-2: Модель атома Резерфорда-Бора содержит электроны, движущиеся по орбитам вокруг положительно заряженного ядра.

Когда атомы излучают электроны, энергия электрона придерживается определённых шаблонов.

В 1913 г. Бор понял, что из-за этого модель Резерфорда требует некоторого пересмотра.

Для соответствия таким шаблонам он воспользовался идеей, что энергия является квантованной, т.е. собранной вместе в определённых количествах, которые допустимы для того, чтобы орбиты оставались стабильными (вместо разрушения орбит, предсказанного электромагнетизмом).

Каждый электрон может существовать только при определённом, точно установленном состоянии энергии внутри орбиты.

Для того, чтобы перейти с одной орбиты на другую, необходимо, чтобы электрон имел достаточно энергии для прыжка с одного энергетического уровня на другой.

Из-за квантовой природы системы добавление половины количества энергии, необходимой для перехода с одной орбиты на другую, не сдвинет электрон на половину пути между этими орбитами.

Электрон останется на первой орбите до тех пор, пока не получит энергию, достаточную для того, чтобы протолкнуть его на орбиту с более высоким энергетическим уровнем.

Это ещё одно странное поведение, которое вы (надеюсь) ожидали от квантовой физики.

Модель Резерфорда-Бора довольно хорошо работает при описании атома водорода, но когда атомы становятся сложнее, модель начинает выходить из строя.

Тем не менее, основные принципы соответствуют всем атомам:

Ядро - центр атома.

Электроны движутся по орбитам вокруг ядра.

Орбиты электронов квантированы (имеют дискретные уровни энергии) и подчиняются правилам квантовой физики (хотя потребуется несколько лет для того, чтобы эти правила были разработаны, как описано в главе 7).

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145375

Переводчики: ilves_ArtO