Атом бору

Відео: Лекція 3: Основи квантової теорії атома

Коли Джон Дальтон вперше в історії сучасної науки запропонував атомну теорію будови речовини, атоми представлялися йому неподільними, на зразок мікроскопічних більярдних куль.
Однак протягом усього XIX століття ставало все більш очевидним, що така модель неприйнятна. Поворотною точкою стало відкриття електрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 році, з якого випливало, що атом складається з окремих частинок - пряме свідчення проти його неподільності. Останнім цвяхом у кришку труни неподільного атома стало відкриття в 1911 році атомного ядра (див. Досвід Резерфорда). Після цих відкриттів стало ясно, що атом не просто ділимо, але що він ще й має дискретної структурою: складається з масивного, позитивно зарядженого центрального ядра і рухаються по орбітах навколо нього легких, негативно заряджених електронів.

Але з цієї простої планетарної моделлю атома тут же виникли проблеми. Перш за все, згідно з фізичними законами того часу, такий атом не міг би проіснувати довше частки миті - на наше щастя, ми маємо всі підстави стверджувати, що цей факт досвідом не підтверджується. Аргументація була така: відповідно до законів механіки Ньютона, електрон, що знаходиться на орбіті, рухається з прискоренням. Отже, відповідно до рівнянь Максвелла, він повинен випромінювати електромагнітні хвилі і, як наслідок, втрачати енергію (в силу закону збереження енергії-см. Рівняння стану ідеального газу) і незабаром зійти з орбіти і впасти на ядро. Це стандартна завдання з фізики для студентів-першокурсників, і будь-який з них легко доведе шляхом таких міркувань, що планетарний атом не проіснує і секунди. Очевидно, щось було не так в цій простій моделі будови атома, раз реальні атоми, що оточують нас, проіснували мільярди років.

Вирішити цю проблему і направити фізиків по вірному шляху розуміння атомної структури вдалося молодому датському теоретику Нільса Бора, недавно прибув на стажування до Англії після захисту докторської дисертації у себе на батьківщині. За відправну точку Бор прийняв нові постулати квантової механіки, згідно з якими на субатомному рівні енергія випускається виключно порціями, які отримали назву «кванти». Німецький фізик Макс Планк скористався положенням про те, що атоми випромінюють світло окремими частинками (пізніше Альберт Ейнштейн назвав їх «фотони»), для вирішення застарілої проблеми випромінювання чорного тіла. Використовуючи концепцію фотонів, Альберт Ейнштейн теоретично пояснив фотоелектричний ефект. За свої роботи і Планк, і Ейнштейн отримали по Нобелівської премії.



Бор розвинув квантову теорію ще на крок і застосував її до стану електронів на атомних орбітах. Говорячи науковою мовою, він припустив, що кутовий момент електрона (див. Досвід Штерна-Герлаха) квантів. Далі він показав, що в цьому випадку електрон не може перебувати на довільному відстані від атомного ядра, а може бути лише на ряді фіксованих орбіт, які отримали назву «дозволені орбіти». Електрони, що знаходяться на таких орбітах, не можуть випромінювати електромагнітні хвилі довільної інтенсивності і частоти, інакше їм, швидше за все, довелося б перейти на більш низьку, недозволену орбіту. Тому вони й утримуються на своїй вищій орбіті, подібно літаку в аеропорту відправлення, коли аеропорт призначення закритий через нельотну погоду.

Однак електрони можуть переходити на іншу дозволену орбіту. Як і більшість явищ в світі квантової механіки, цей процес не так просто уявити наочно. Електрон просто зникає з однієї орбіти і матеріалізується на інший, не перетинаючи простору між ними. Цей ефект назвали «квантовим стрибком», або «квантовим стрибком». Пізніше цей термін знайшов широку популярність і увійшов в наш лексикон зі значенням «раптове, стрімке поліпшення» ( «Справжній квантовий стрибок в технології виробництва наручних годинників!»). Якщо електрон перескакує на нижчу орбіту, він втрачає енергію і, відповідно, випускає квант світла - фотон фіксованою енергії з фіксованою довжиною хвилі. На око ми розрізняємо фотони різних енергій за кольором - розпечена на вогні мідний дріт світиться синім, а натрієва лампа вуличного освітлення - жовтим. Для переходу на більш високу орбіту електрон повинен, відповідно, поглинути фотон.



У картині атома по Бору, таким чином, електрони переходять вниз і вгору по орбітах дискретними стрибками - з однієї дозволеної орбіти на іншу, подібно до того, як ми піднімаємося і спускаємося сходами сходи. Кожен стрибок обов`язково супроводжується випусканням або поглинанням кванта енергії електромагнітного випромінювання, який ми називаємо фотоном.

Згодом інтуїтивна гіпотеза Бора поступилася місцем суворої систематичної формулюванні в рамках законів квантової механіки і, зокрема, концепції двоїстої природи елементарних частинок - корпускулярно-хвильової (див. Принцип додатковості). Сьогодні електрони представляються нам не мікроскопічними планетами, що обертаються навколо атомного ядра, а хвилями ймовірності, плещуться всередині своїх орбіт - подібно припливи і відпливи в тороідальному басейні - і котрі підпорядковуються рівнянням Шредінгера. Сучасні фізики, як само собою зрозуміле, розраховують характеристики цих хвиль для найскладніших за структурою атомів і використовують їх для пояснення властивостей і поведінки цих атомів. Однак основну картину всієї сучасної квантової механіки намалював у своєму великому прозріння Нільс Бор - в далекому тепер 1913 році.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!