Греческий философ Демокрит первым произнес слово "атом". Согласно его учению, атомы неделимы, неуничтожимы и находятся в постоянном движении. Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела. В природе существуют только атомы и пустота.

Атом дейтерия. Его ядро образуют положительно заряженный протон и нейтрон, заряда не имеющий. Вокруг ядра движется отрицательный электрон. Заряды протона и электрона равны по величине и противоположны по знаку, так что весь атом в целом нейтрален. У электрона нет ни определенной орбиты, ни какого-то места, где его можно обнаружить наверняка в данный момент времени. Он как бы "размазан" по сферической оболочке вокруг ядра.

Английский физик Эрнст Резерфорд по праву считается основоположником ядерной физики, учения о радиоактивности и теории строения атома. Он открыл альфа- и бета-лучи, возникающие при радиоактивном распаде. Вместе с Г. Гейгером сконструировал прибор для регистрации заряженных частиц и с его помощью доказал, что альфа-лучи - поток положительно заряженных ядер гелия. Создал теорию радиоактивного распада и установил законы радиоактивных превращений. Эти работы были отмечены Нобелевской премией по химии 1908 года. Исследовал и вывел закон рассеяния альфа-частиц атомами металлов, экспериментально обнаружив в 1911 году атомное ядро. Результаты этих экспериментов привели Резерфорда к созданию планетарной модели атома.

Ни один самый совершенный оптический микроскоп не позволяет увидеть отдельные атомы - его увеличение в тысячи раз меньше, чем требуется для этой цели. Но в 1951 году Эрвин Мюллер изобрел ионный микроскоп, позволивший в деталях разглядеть атомную структуру металла. В камеру с гелием низкого давления помещается металлическая игла, на которую подается высокий положительный потенциал. Атомы гелия прилипают к металлу, ионизуются и летят к отрицательно заряженному экрану, рисуя на нем структуру кристаллической решетки металла. На снимке: поверхность кристалла вольфрама, увеличенная в 10 миллионов раз; каждая яркая точка - его отдельный атом.

Опыт Резерфорда. В камере 1, укрепленной на поворотном диске 2, находится радиоактивный препарат 3, испускающий альфа-частицы, которые бомбардируют листок металлической фольги 4. Альфа-частицы, летящие со скоростью 10 тысяч километров в секунду, отклоняются атомами металла на различные углы, задаваемые поворотом диска, и попадают на экран 5, вызывая в нем вспышки (сцинтилляции). Число вспышек пересчитывают, наблюдая в микроскоп 6. В течение всей работы было подсчитано более 100 тысяч сцинтилляций и установлено, что на угол 180╟, то есть обратно к источнику, отражалась в среднем одна частица из 8 тысяч. Опыт подтвердил, что альфа-частица отталкивается ядром по закону Кулона.

Работая над созданием теории излучения, Макс Планк в 1900 году пришел к выводу, что атомы нагретого вещества должны излучать свет порциями, квантами, имеющими размерность действия (Дж.с) и энергию, пропорциональную частоте излучения: Е = hn. Коэффициент пропорциональности h называется постоянной Планка или квантом действия. День 14 декабря 1900 года, когда Планк сделал доклад на заседании Немецкого физического общества о теоретическом выводе закона излучения, стал датой рождения новой физической науки - квантовой механики. За эту работу Макс Планк был удостоен Нобелевской премии по физике 1918 года.

В 1923 году Луи де Бройль перенес идею Эйнштейна о двойственной природе света - корпускулярно-волновом дуализме - на вещество: движение частицы соответствует распространению бесконечной волны. За открытие волновой природы электрона де Бройль был удостоен Нобелевской премии по физике 1929 года.

Можно ли рассматривать световой луч как поток частиц, а материальные частицы - как волны? В частности, электрон - волна или частица? И волна и частица! Волновые свойства электронов наглядно демонстрирует дифракция, открытая в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером. Особенно впечатляющую картину дифракции наблюдал Джордж Паджет Томсон, сын Дж. Дж. Томсона, открывшего электрон. Он пропустил поток электронов сквозь тонкую золотую фольгу и получил классическую картину дифракции, которую могли дать только волны. Опыты по дифракции убедительно подтвердили теорию де Бройля, которая утверждала, что движение любой частицы сопровождается волной, длина и скорость которой зависят от массы и энергии частицы.

В привычном нам мире все тела движутся по определенным траекториям. Опытный бильярдист всегда знает, как покатятся шары после удара, и легко загоняет их в лузу. С атомными частицами гораздо сложнее. Траекторию летящего электрона указать невозможно: он не только частица, но и волна, бесконечная в пространстве. Поэтому удается только выяснить, какова вероятность обнаружить электрон в том или ином месте, в частности, определить, где электрон окажется с наибольшей вероятностью. В какое именно отверстие электрон пролетел, сказать тоже нельзя: он может оказаться всюду, и можно считать, что он пролетел сквозь все отверстия сразу!