Долгое время строение атома было дискуссионной темой среди физиков, пока не появилась созданная датским ученым Нильсом Бором модель. Он не был первым, кто попытался описать движение субатомных частиц, но именно его наработки позволили создать непротиворечивую теорию с возможностью прогнозирования местонахождения элементарный частицы в тот или иной момент времени.
Жизненный путь
Нильс Бор родился 7 октября 1885 года в Копенгагене и умер там же 18 ноября 1962 года. Он считается одним из величайших физиков и неудивительно: именно ему удалось построить непротиворечивую модель водородоподобных атомов. По легенде он увидел во сне, как вокруг некоего светящегося разреженного центра вращалось что-то вроде планет. Затем эта система резко уменьшилась до микроскопических размеров.
С тех пор Бор упорно искал способ воплотить сон в формулах и таблицах. Тщательно изучая современную литературу по физике, экспериментируя в лаборатории и размышляя, он смог достичь своей цели. Обнародовать результаты ему не помешала даже врожденная застенчивость: он стеснялся выступать перед большой аудиторией, начинал путаться, и слушатели ничего не понимали из объяснений ученого.
Предшественники
До Бора ученые пытались создать модель атома, основанную на постулатах классической физики. Наиболее успешная попытка принадлежала Эрнесту Резерфорду. В результате многочисленных опытов он пришел к выводу о существовании массивного атомного ядра, вокруг которого двигаются по орбитам электроны. Поскольку графически такая модель была похожа на строение Солнечной системы, за ней укрепилось название планетарной.
Но в ней имелся существенный недостаток: атом, отвечающий резерфордовским уравнениям, оказывался нестабильным. Рано или поздно электроны, двигавшиеся с ускорением по орбитам вокруг ядра, должны были упасть на ядро, а их энергия тратилась бы на электромагнитное излучение. Для Бора модель Резерфорда стала отправным пунктом в построении собственной теории.
Первый постулат Бора
Главным новшеством Бора стал отказ от использования классической ньютоновской физики в построении теории атома. Изучив полученные в лаборатории данные, он пришел к выводу, что в мире элементарных частиц не работает такой важный закон электродинамики, как равноускоренное движение без волнового излучения.
Итогом его размышлений стал закон, который звучит так: атомная система стабильна, только если она находится в одном из возможных стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. Смысл этого закона, иначе называемого постулатом квантовых состояний, состоит в признании отсутствия электромагнитного излучения, когда атом находится в таком состоянии. Также следствием первого постулата является признание наличия в атоме энергетических уровней.
Правило частот
Однако было очевидно, что атом не может все время находиться в одном и том же квантовом состоянии, поскольку стабильность отрицает любое взаимодействие, а значит, не было бы ни Вселенной, ни движения в ней. Кажущееся противоречие разрешил второй постулат модели строения атома Бора, известный как правило частот. Атом способен перейти из одного квантового состояния в другое с соответствующим изменением энергии, излучая или поглощая при этом квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний.
Второй постулат тоже противоречит классической электродинамике. Согласно теории Максвелла, характер движения электрона не может воздействовать на частоту его излучения.
Спектр атома
Квантовая модель Бора стала возможной благодаря тщательному изучению спектра атома. Долгое время ученых смущало, что вместо ожидаемой непрерывной цветовой области, получаемой при изучении спектров небесных светил, спектрограмма атома была прерывистой. Линии яркого цвета не переходили друг в друга, а разделялись внушительными темными участками.
Теория перехода электрона из одного квантового состояния в другое объясняла эту странность. Когда электрон переходил с одного энергетического уровня на другой, где от него требовалась меньшая энергия, он испускал квант, что отражалось на спектрограмме. Теория Бора сразу же продемонстрировала способность к прогнозированию дальнейших изменений в спектрах простых атомов вроде водорода.
Недостатки
Теория Бора не до конца порывала с классической физикой. Она по-прежнему сохраняла идею орбитального движения электронов в электромагнитном поле ядра. Идея о квантовании при переходе из одного стационарного состояния в другое удачно дополняла планетарную модель, но все же не разрешала всех противоречий.
Хотя в свете модели Бора электрон не мог перейти в движение по спирали и упасть на ядро, непрерывно излучая энергию, оставалось непонятным, почему он не мог последовательно подниматься на более высокие энергетические уровни. В этом случае все электроны рано или поздно оказались бы в наинизшем энергетическом состоянии, что привело бы разрушению атома. Другой проблемой стали аномалии в атомных спектрах, которые теория не объясняла. Еще в 1896 году Питер Зееман провел любопытный эксперимент. Он поместил атомный газ в магнитное поле и снял спектрограмму. Оказалось, что некоторые спектральные линии расщепились на несколько. Такой эффект в теории Бора объяснения не получал.
Построение модели атома водорода по Бору
Несмотря на все недостатки своей теории, Нильс Бор смог построить соответствующую действительности модель атома водорода. При этом он использовал правило частот и законы классической механики. Расчеты Бора по определению возможных радиусов орбит электрона и вычислению энергии квантовых состояний оказались достаточно точными и подтвердились экспериментально. Частоты излучений и поглощений электромагнитных волн соответствовали расположению темных промежутков на спектрограммах.
Таким образом, на примере атома водорода было доказано, что каждый атом представляет собой квантовую систему с дискретными энергетическими уровнями. Кроме того, ученый смог найти способ совместить классическую физику и свои постулаты с помощью принципа соответствия. Он гласит, что квантовая механика включает в себя законы ньютоновской физики. При определенных условиях (например, если квантовое число было достаточно большим), квантовая и классическая механика сближаются. Это доказывалось тем, что при увеличении квантового числа протяженность темных промежутков на спектре уменьшалась вплоть до полного исчезновения, как это и ожидалось в свете ньютоновских представлений.
Значение
Введение принципа соответствия стало важным промежуточным этапом на пути к признанию существования особой квантовой механики. Модель атома Бора стала для многих отправной точкой в конструировании более точных теорий движения субатомных частиц. Нильс Бор не смог подобрать точной физической интерпретации правилу квантования, но он и не мог этого сделать, поскольку лишь с течением времени были обнаружены волновые свойства элементарных частиц. Луи де Бройль, дополнив теорию Бора новыми открытиями, доказал, что каждая орбита, по которой движется электрон, представляет собой волну, распространяющуюся от ядра. С этой точки зрения стационарным состоянием атома стали считать такое, что образуется в случае, когда волна, сделав полный оборот вокруг ядра, повторялась.
