Таинственный мир атома. Погружение в историю открытия электрона и атомного ядра. Загадки поведения электронов в атоме. Гениальные постулаты Нильса Бора, изменившие представление об устройстве микромира.
Предыстория квантовых постулатов Бора
В конце XIX века ученые открыли существование электрона. Английский физик Джозеф Джон Томсон в 1897 году показал, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, названных затем электронами. Эксперименты Эрнеста Резерфорда в начале XX века продемонстрировали, что атом имеет маленькое положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся электроны. Резерфорд предложил планетарную модель атома, где электроны движутся по орбитам вокруг ядра подобно планетам.
Однако классическая физика предсказывала, что такой атом должен быть крайне неустойчив. Электроны, движущиеся по орбите с ускорением, обязаны излучать электромагнитные волны и терять энергию. В результате они должны упасть на ядро, и атом разрушится. Этого на самом деле не происходило, что указывало на ошибочность классических представлений.
Необходимость новой теории строения атома стала очевидной. К этому времени уже появилось несколько важных открытий, положивших начало квантовой физике. В 1900 году Макс Планк выдвинул гипотезу о квантах энергии при испускании света. Эйнштейн объяснил фотоэффект квантованием света. Были проведены опыты по дифракции электронов и других микрочастиц, демонстрирующие их волновые свойства. Все эти работы требовали пересмотра классической физики при описании поведения атомов и их строения.
Первый квантовый постулат Бора
Решающий вклад в создание теории атома внес датский ученый Нильс Бор. Проанализировав известные к 1913 году данные, он сформулировал два важнейших постулата, легшие в основу квантовой теории. Первый постулат Бора гласит:
Атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E.n
Это положение резко противоречило классическим представлениям. Ведь согласно классике энергия электрона на орбите могла иметь любое значение. Бор же утверждал, что атом обладает дискретным набором стационарных состояний и уровней энергии E1, E2, E3 и т.д.
Каждому уровню энергии соответствует строго определенное квантовое состояние атома. Нижний энергетический уровень E1 называется основным состоянием. Вышележащие уровни En > E1 - возбужденные состояния. Для ионизации атома водорода требуется энергия 13,6 эВ. Это минимальная энергия, необходимая, чтобы вырвать электрон с нижнего уровня E1.
Согласно первому постулату Бора, находясь в стационарном состоянии, атом не излучает электромагнитные волны. Это также противоречило классике, но хорошо объясняло устойчивость атома. Экспериментально было показано существование стационарных состояний для атомов различных элементов. Так, у атома гелия обнаружено два квантовых состояния, у лития - уже три и т.д. Первый постулат Бора позволил в корне изменить представления о поведении электронов в атоме и заложил фундамент современной квантовой физики.
Сформулированные Нильсом Бором идеи вызвали бурные дискуссии в научном сообществе того времени. Многие ученые критиковали постулаты Бора за отход от принципов классической физики. Однако постепенно накапливались экспериментальные свидетельства правильности квантового подхода к описанию строения атома. Гипотеза Бора о квантовании энергии и существовании дискретных стационарных состояний атомов получила убедительное подтверждение и легла в основу дальнейшего развития квантово-механических представлений.
Таким образом, первый постулат Бора утверждает, что атом может находиться только в строго определенных стационарных состояниях. Каждому такому состоянию соответствует дискретный энергетический уровень. Это кардинально изменило взгляды на строение атома и поведение электронов в нем.
Второй квантовый постулат Бора
Второй постулат Бора дополняет первый и касается процессов испускания и поглощения света атомом. Он гласит:
Переход атома из одного квантового состояния в другое сопровождается испусканием или поглощением кванта электромагнитного излучения - фотона.
Энергия фотона при этом определяется разностью энергий соответствующих состояний:
Eфотона = Ek - En
Где Ek - энергия конечного состояния, En - энергия начального. Частота испускаемого или поглощаемого излучения связана с энергией фотона соотношением:
ν = (Ek - En)/h, где h - постоянная Планка. Таким образом, частота фотона определяется только разностью энергий уровней, а не особенностями движения электрона. Это также противоречило классическим представлениям.
Значение второго постулата Бора
Второй постулат Бора позволил объяснить дискретность спектров испускания и поглощения атомов. Согласно классической физике, спектр должен быть непрерывным. Но на практике наблюдаются отдельные спектральные линии. Бор связал это с квантованием энергии атома и фотонов.
Постулат установил прямую связь между энергией и частотой электромагнитного излучения. Он заложил основы представлений о корпускулярно-волновом дуализме света и волновых свойствах частиц. Кроме того, идеи второго постулата легли в основу создания квантовых генераторов - лазеров и мазеров, где используется вынужденное излучение при переходах электронов между энергетическими уровнями.
Применение постулатов к атому водорода
Нильс Бор применил свои постулаты для анализа простейшей атомной системы - атома водорода. Он состоит из одного электрона, движущегося вокруг ядра - протона. Используя квантовые постулаты и классические представления о движении электрона по орбите, Бор получил теоретические формулы для радиусов орбит и энергии электрона.
Применение первого постулата привело к правилу квантования орбит. Согласно ему, радиусы орбит определяются целыми числами - главным квантовым числом n. Чем больше n, тем дальше орбита от ядра. Используя это правило, Бор вывел формулу радиуса орбиты через n. Это позволило рассчитать возможные значения радиусов и скоростей электрона для различных квантовых состояний в атоме водорода.
Энергетические уровни электрона в атоме водорода
Далее, применив второй постулат, Бор получил формулу для энергии электрона на квантованных орбитах. Она зависит от главного квантового числа n. Чем больше n, тем выше энергия электрона и дальше орбита от ядра.
Теоретически рассчитанные Бором энергетические уровни электрона в водороде хорошо согласуются с экспериментальными данными. Они объясняют наблюдаемый спектр излучения атома водорода. Успех применения постулатов Бора к водороду подтвердил правильность его идей и заложил фундамент дальнейшего развития квантовой теории.
