Атом Бора
Електрони
в атомі можуть перебувати тільки на дозволених орбітах.
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 у 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 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 рухомих
по орбітах навколо нього легенів, негативно заряджених електронів.
Але
з цієї простої планетарної модель 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: у
відповідно до законів руху Ньютона, електрон, що знаходиться на орбіті,
рухається з прискоренням. Отже, згідно з рівнянням Максвелла, він повинен
випромінювати електромагнітні хвилі і, як наслідок, втрачати енергію (в силу закону
збереження енергії; см. Основний закон термодинаміки) і незабаром зійти з орбіти і
впасти на ядро. Це стандартна задачка 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.
Дозволити
цю проблему і направити фізиків по вірному шляху розуміння атомної структури
вдалося молодому датському теоретикові 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 становищем
про те, що атоми випромінюють світло окремими частками (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 знаходитися на довільному відстані від атомного ядра, а може
бути лише на ряді фіксованих орбіт, що одержали назву «дозволені
орбіти ». Електрони, що знаходяться на таких орбітах, не можуть випромінювати
електромагнітні хвилі довільній інтенсивності і частоти, інакше їм, швидше за
за все, довелося б перейти на більш низьку, недозволену орбіту. Тому вони і
утримуються на своїй вищій орбіті, подібно до літака в аеропорту
відправлення, коли аеропорт призначення закрито через нельотну погоду.
Однак
електрони можуть переходити на іншу дозволену орбіту. Як і більшість
явищ у світі квантової механіки, цей процес не так просто представити
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 набув широкої популярності і увійшов до
наш лексикон зі значенням «раптова, стрімке поліпшення» ( «Справжній
квантовий стрибок в технології виробництва наручних годинників! »). Якщо електрон
перескакує на нижчу орбіту, він втрачає енергію і, відповідно,
випромінює квант світла - фотон фіксованого 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.
В
картині атома по Бору, таким чином, електрони переходять вниз і вгору по
орбітах дискретними стрибками - з одного дозволеної орбіти на іншу, подібно
тому, як ми піднімаємося і спускаємося сходами сходи. Кожен стрибок
обов'язково супроводжується випусканням або поглинанням кванта енергії
електромагнітного випромінювання, який ми називаємо фотоном.
З
часом інтуїтивна гіпотеза Бора поступилася місцем суворої систематичної
формулюванні в рамках законів квантової механіки і, зокрема, концепції
подвійну природу елементарних часток - корпускулярно-хвильової (див. Принцип
додатковості). Сьогодні електрони представляються нам не мікроскопічними
планетами, що обертаються навколо атомного ядра, а хвилями ймовірно,
плещущіміся всередині своїх орбіт - подібно припливи і відпливи в тороїдальним
басейні - і підкоряються рівняння Шредінгера. Сучасні фізики, як саме
собою зрозуміле, розраховують характеристики цих хвиль для самих складних за
структурі 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 - у далекому тепер 1913 році.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://elementy.ru/
