Было установлено, что если сургучный стержень, ведущий себя так же, как янтарь, натереть шерстяной тканью и сблизить его со стеклянным стержнем, натертым шелковой тканью, то между стержнями проскакивает электрическая искра. Было найдено также, что между такими стержнями действует сила притяжения. Так, если сургучный стержень, получивший электрический заряд в результате натирания шерстяной тканью, подвесить на нитке и приблизить к нему заряженного стеклянного стержня, то заряженный конец сургучного стержня повернется к стеклянному стержню. В то же время конец наэлектризованного сургучного стержня отталкивается от такого же наэлектризованного стеклянного стержня.
В результате экспериментального изучения такого рода явлений сложилось представление о существовании двух видов электричества, получивших название смоляного электричества (которое собирается на стеклянном стержне). Было установлено, что противоположные виды электричества протягиваются, тогда, как одинаковые отталкиваются. Франклин несколько упростил это представление, приняв допущение, согласно которому может перетекать от объекта к другому объекту электричество лишь одного вида. Он предположил, что в процессе натирания стеклянного стержня шелковой тканью некий электрический "флюид" переходит из ткани в стекло и стеклянный стержень становится положительно заряженным благодаря избытку электрического флюида. В ткани создается недостаток электрического флюида, и она становится отрицательно заряженной. Он подчеркивал, что на самом деле не знает, перешел ли электрический флюид из шелковой ткани в стеклянный стержень или из стеклянного стержня в ткань, и поэтому решение считать электричество на стеклянном заряженном стержне положительным является позволительным. В настоящее время действительно известно, что когда стеклянный стержень натирают шелковой тканью, то отрицательно заряженные частицы - электроны - переходят со стеклянного стержня на шелковую ткань, и что Франклин в своем допущении сделал ошибку [Полит Л., Полине П. Химия -М: Мир, 1978].
Как было сказано выше, представление о содержащихся в веществах электрических частицах было высказано в качестве гипотезы английским ученым Г. Джонстоном Стонеем. Стоней знал, что вещества можно разлагать электрическим током, - например, воду можно разложить на водород и кислород. Ему было известно также о работах Майкла Фарадея, установившего, что для получения некоторого количества элемента из того или иного его соединения требуется определенное количество электричества. Обдумывая эти явления, Стоней в 1874г. и пришел к выводу о том, что они указывают на существование электричества в виде дискретных единичных зарядов, причем эти единичные заряды связаны с атомами. Таким образом, Стоней и предложил в 1891 г. название "электрон" для постулированной им единицы электричества. Экспериментально же электрон был открыт в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном (1856-1940) в Кембриджском университете. [Полит Л., Полине П. Химия -М: Мир, 1978]
Последующие исследования показали, что электрон представляет собой частицу с отрицательным зарядом величиной –0,1602∙10-18 Кл, с массой, равной 0,9108∙10-30 кг, что составляет 1/1873 массы атома водорода. Электрон имеет очень небольшие размеры и хотя радиус электрона точно не определен до сих пор, однако известно, что он значительно меньше 1∙10-15 м. А в 1925 г. было установлено, что электрон вращается вокруг собственной оси и имеет магнитный момент. [Полит Л., Полине П. Химия -М: Мир, 1978]
Первые эксперименты, на основании которых была фактически доказана реальность существования электронов, были выполнены английским физиком Дж. Томсоном в 1899 году. На основании этого была предложена исторически первая модель атома, которая, с точки зрения Томсона, представляет собой положительно заряженную жидкость, в которой плавают отрицательные электроны. Научный юмор обозвал эту модель "пудингом с изюмом".
На протяжении 12 лет эта модель представлялась научному миру весьма правдоподобной и на известном уровне приближения неплохо описывала наблюдаемые свойства процессов излучения, за исключением спектров излучения или поглощения света. Если, например, пропустить электрический разряд через какой-либо газ, то атомы этого газа дают свечение. Именно такое излучение (световое) и можно видеть в газоразрядных трубках.
Однако оказалось, что испускаемый свет имеет не сплошной спектр, как, скажем, Солнце или лампа накаливания, а линейчатый, то есть в нем присутствуют лишь выделенные линии определенных длин волн (частот, цветов). Если взять водород, в атоме которого, как впоследствии выяснила физика, имеется только один электрон, то с помощью модели атома Томсона можно предсказать появление линии излучения, но только одной.
Однако физиком Бальмером экспериментально было обнаружено у водорода наличие целой серии линий излучения различных частот. Более того, множественные серии линий излучения атомов водорода были обнаружены также в инфракрасной и в ультрафиолетовой областях. А известный опыт Резерфорда, в котором положительно заряженные альфа-частицы пролетали сквозь вещество фольги, практически не отклоняясь (только малая часть их отражалась в обратную сторону), решительно противоречил Томсоновской модели атома.
Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах [Коровин Н.В., Курс общей химии - М: Высшая школа, 1990].
Альфа-частицы, выбрасываемые веществами активных элементов, как выяснилось позднее, представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает порядка 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости альфа-частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути альфа-частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность альфа-частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их. Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона.
Исследуя пути движения частиц с помощью этой камеры, Резерфорд заметил, что в камере пути их параллельны, а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вовсе не проходили через тонкую пластинку [Коровин Н.В., Курс общей химии - М: Высшая школа, 1990; Харин А.Н., Курс химии - М: Высшая школа, 1983].
Исходя из этих наблюдений, Резерфорд и предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаются отрицательные электроны.
Итак, через 12 лет после открытия Томсоном факта существования "атома" электричества – электрона Э.Резерфордом был поставлен указанный выше опыт, на основании которого им была предложена иная модель атома – "планетарная", по принципу построения Солнечной системы.
Резерфорд предположил, что атом представляет собой динамическую систему наподобие Солнечной: вместо Солнца в центре находится массивное положительно заряженное ядро (это от него отскакивают налетающие положительные частицы), а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Таким образом, большая часть атома оказывается пустой - через нее-то и летят пролетающие частицы.
Таким образом, изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало, что в его состав должна была входить ещё одна составная часть, уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов
Но классическая электродинамика не допускает устойчивого существования подобной системы.
Центростремительные силы, возникающие при их вращении, удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения альфа-частиц. Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов, поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения.
Только в тех случаях, когда альфа-частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние альфа-частиц положило начало ядерной теории атома.
Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи большую помощь оказало изучение спектров рентгеновских лучей.
Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело и отличаются от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. В то время как короткие световые волны имеют длину около 4000 ангстремов (фиолетовые лучи), длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до 0,1 ангстрема. Чтобы получить спектр рентгеновских лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой или дифракционной решеткой. (Дифракционная решетка представляет собой оптический прибор, совокупность большого количества параллельных щелей в непрозрачном экране или отражающих зеркальных полосок (штрихов), равноотстоящих друг от друга, на которых происходит дифракция света. Дифракционная решетка разлагает падающий на нее пучок света в спектр, что используется в системе методов под именем спектроскопии.)