Jaume Navarro - Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Спектроскоп, разработанный Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном, 1860 год.

Бор и любой, кто пытался объяснить спектр элементов на основе движения электронов, сталкивались с двумя основными взаимосвязанными проблемами. О первой уже было сказано ранее: движение электронов для начала предполагало потерю энергии, которая приговаривала атом к смерти. Но была также и вторая загадка: факт, что спектры обычно дискретны, а не непрерывны.

Каждый элемент испускает определенные цвета, или частоты. Обычно они визуализируются на фотографической пластине в виде ряда параллельных лучей, каждый из которых соответствует определенной частоте. Но если происхождение этих частот, этого света, испускаемого атомами, заключалось в какой-то форме потери энергии атомными электронами, почему свет наблюдается только на некоторых частотах, а не на непрерывном потоке света? Другими словами, если электроны постепенно тормозят, предполагается, что в процессе торможения они пройдут через все возможные значения энергии, как автомобиль, снижающий скорость с 80 до 20 км/ч, проходит через все промежуточные скорости. Ведь природа (по крайней мере так думали ранее) не должна делать скачков.

Именно здесь Бор выдвинул новую несколько рискованную гипотезу, которую физики того времени, особенно британские, в основном не приняли: гипотезу Планка. В конце 1900 года, практически от отчаяния, профессор теоретической физики Берлинского университета Макс Планк (1858-1947) объяснил давнюю проблему излучения, предположив, что взаимообмен энергией на микроскопических уровнях не непрерывный, а происходит малыми дозами; то есть природа, похоже, все-таки делает скачки. Также нужно знать, что только после 1906 года, когда молодой и почти неизвестный Альберт Эйнштейн (1879-1955) воспользовался той же самой гипотезой для объяснения давней аномалии удельной теплоемкости твердых тел, некоторые немецкие физики начали воспринимать гипотезу Планка всерьез.

С учетом этих предпосылок Бор начал размышлять немного по-другому. Вместо того чтобы диктовать атомам, как им себя вести, согласно законам классической физики, он принял имевшуюся у него информацию, полученную в основном из спектроскопии: атомы в целом были стабильными, а при нагревании испускали свет конкретных частот, свой собственный спектр. Тогда он сосредоточился на самом простом случае — с атомом водорода.

Сегодня доказано, что число электронов в определенном атоме равно его атомному номеру, Z То есть у водорода только один электрон, у гелия два и так далее. Как Бор представил себе структуру атома водорода? Первым шагом было буквально следовать гипотезе Резерфорда и поместить ядро, обладающее массой и положительным электрическим зарядом, в центр, и тогда электрон окажется на орбите вокруг этого ядра. Исходя из экспериментального факта, что водород, как и большинство элементов, стабилен в нормальных условиях, Бор предположил, что и эта орбита стабильна и нужно забыть о возможном излучении, которое она должна испускать согласно классическим теориям.

Следует признать, что в науке обычно все делается не так. Если молодой недавно завершивший обучение человек имеет только один год опыта работы за границей и неспособен объяснить определенное явление, скорее всего ему следует продолжить учебу. Пренебрежение научными предпосылками своего времени в большинстве случаев говорит о высокомерии и чревато растрачиванием своего научного будущего. На самом деле, если бы Бор ограничился только тем, что изложено в предыдущем абзаце, то вышла бы просто гипотеза, не имеющая серьезных оснований. Однако теоретическая физика заключается не в одном только представлении моделей, но и в использовании их для вычисления и сравнения этих расчетов с лабораторными данными. Бор так и поступил, и в связи с этим его модель перестала быть умозрительным предположением и превратилась в прогноз.

Чтобы получить спектр определенного химического элемента, его нужно нагреть — другими словами, снабдить энергией. Этот избыток энергии в структуре атома позволяет электрону вращаться на большем расстоянии от ядра (если снабдить его слишком высокой энергией, он даже может вылететь из атома и оставить ядро в одиночестве). Через некоторое время возмущенный электрон вернется в свое исходное состояние, высвобождая лишнюю энергию в виде излучения, наблюдаемого на спектре (см. рисунок 2).

До этого момента Бор представлял атом как планетную систему, в которой планета (электрон) имеет привилегированное и неприкасаемое положение, его основное состояние. Неожиданный скачок наблюдался у возмущенных орбит. Бор предположил, что электроны могут занимать только конкретные орбиты с определенным значением энергии, что любое промежуточное состояние для них закрыто. Если проводить визуальную аналогию, атом представляет собой скорее лестницу, чем склон: электроны могут находиться только на ступенях и никогда — в их промежутках. Именно здесь датский ученый ввел постоянную Планка: расстояние между «ступенями», между орбитами, должно быть кратно этой постоянной. Электроны могут занимать только такие орбиты энергии, чтобы различие между ними было кратно постоянной Планка.

РИС . 2

На основе этой модели Бор получил спектр атома водорода, который был прекрасно известен уже несколько десятилетий. Каждая линия спектра (каждая частота испускаемого света) соответствовала переходу электрона с одной орбиты на другую, меньшую. Так модель Бора перестала быть чистым предположением вроде тех, что обычно выдвигал Томсон, и превратилась в модель, обладающую прогностической способностью. Впервые атомная модель количественно (а не только качественно) объяснила детали спектра атома водорода.

Бор не был первым, кто ввел постоянную Планка для объяснения атома.

В 1912 году кембриджский астроном Джон Уильям Николсон (1881-1955) предположил, что электроны вращаются вокруг гипотетически положительного ядра по орбитам, угловой момент которых кратен постоянной Планка. Поскольку Николсон был астрономом, неудивительно, что даже до экспериментов Резерфорда он представлял себе атомы в виде микроскопических солнечных систем.

Электроны, вероятно, также колеблются с частотой, кратной той же самой постоянной, как показано на рисунке. Представим себе, что мы движемся на карусели по кругу и одновременно периодически колеблемся сверху вниз, при этом в начальной точке круга есть дверь, через которую мы проходим каждый раз. когда совершаем полный оборот. Таким образом, важно, чтобы наши вертикальные колебания находились в фазе с вращательным движением. То есть каждый раз, когда мы совершаем полный оборот, наше вертикальное колебание должно поместить нас в исходное положение, чтобы мы могли пройти через дверь. Для некоторых современников модели Бора и Николсона были сходными, и даже говорили о модели Бора — Николсона. Но это неверно. В случае модели астронома излучение спектра вызвано колебанием электронов внутри орбиты. Если бы это было так, допускалось бы присутствие других орбит с другими колебаниями. Однако в модели Бора излучение спектра внутри орбиты вызывало не колебание электронов, а переход с одной орбиты на другую. Эта разница важна, потому что в случае модели Бора понятие орбиты перестает быть основным, и значимость обретает именно переход с одного уровня энергии на другой. И в этом корень постулатов квантовой механики.