Марио Бертолотти - История лазера

Если мы попробуем добавить энергии атому, то первый квант этой энергии полностью изменит состояние движения атома и переведет его электрон в так называемое первое возбужденное состояние. Для того, чтобы возвратиться в свое нормальное состояние, наш атом должен испустить количество энергии, которое он прежде получил, и среди разных возможностей (это может быть, например, столкновение с другим атомом) он может испустить ее в форме одиночного кванта света, который согласно одному из постулату Бора имеет вполне определенную длину волны. В теории Бора разрешенные состояния энергии даются таинственным соотношением, которое устанавливает, что угловой момент электрона в атоме (произведение импульса электрона на радиус его орбиты) может принимать только дискретные значения, которыми являются произведения целых чисел на константу Планка h/2π .

Рис, 18. Процессы поглощения и испускания фотона, (а) Фотон (который поглощается и исчезает) ударяет электрон, который сидит на внутренней орбите и заставляет его перескочить на внешнюю орбиту, (б) Электрон перескакивает с внешней орбиты на внутреннюю и разность энергий испускается в виде фотона

Эта теория дает формулу

l/h = 109,678 (1/m 2— 1/n 2) ,

которая точно соответствует формуле Бальмера, если m = 2, но предсказывает и другие серии, если m = 1, 3,и т.д. Более того, убедительным аргументом в пользу теории Бора было то, что коэффициент 109,678, который получается из экспериментальных спектроскопических наблюдений, в точности предсказывается теорией. Тем самым, излучение света получает очень простое объяснение. Он испускается всеми атомами, которые возбуждаются тем или иным способом. Последующее девозбуждение дает «квант света» (который позднее был назван «фотоном»). Энергия, испускаемая в виде света, является разностью между энергией возбужденного состояния и состояния наинизшей энергии («основное состояние»), и фотон имеет частоту, которая дается этой энергией, деленной на константу Планка А. По этой схеме формула Бальмера (разность между двумя термами) получается автоматически. Действительно, так как произведение частоты и длины волны равно скорости волны, величина 1/λ, которая появляется в формуле, пропорциональна частоте и, следовательно, энергии. Поэтому, согласно Бору, электроны в атоме могут существовать лишь в определенных состояниях, которые Бор представлял в виде орбит, по которым электроны движутся вокруг ядра. Вопреки требованию классической теории Бор предсказывал, что электрон, когда он находится на этих орбитах, не излучает энергии. Он испускает или поглощает энергию только, когда он переходит с одной орбиты на другую (рис. 18). Энергетические состояния атома обычно представляют, как показано на рис. 19, горизонтальными линиями на высоте, которая зависит от энергии уровня. Обычно на таких диаграммах наинизший уровень представляет основное состояние, а последующие уровни на увеличивающихся высотах представляют возбужденные состояния. Переход с одного уровня на другой можно представить вертикальной линией, как это показано на рисунке, относящемся к водороду. Такие диаграммы будут использоваться далее при объяснении принципов работы мазеров и лазеров.

Рис. 19. Представление энергетических уровней атома водорода. Стрелки указывают некоторые из переходов. По ординате даются энергии уровней в электрон-вольтах (1 эВ = 1,6∙10 —19Дж). Верхний уровень с нулевой энергией соответствует случаю, когда электрон покидает атом (ионизация)

Как мы уже видели, когда возникают совершенно новые идеи, их формулировка часто предопределяется некоторыми новыми концепциями, появляющимися как неполные теории, или теории, в которых такие концепции смешиваются с ошибочными представлениями. В некоторых отношениях модель Бора также предопределялась.

В 1910 г. венский физик Ф.Э. Хаас (1884-1941), аспирант Венского университета, обсуждал модель атома водорода, согласно которой электрон движется по положительно заряженной поверхности сферы радиуса г (поэтому это не модель Резерфорда) и обладает квантованной энергией (это интересная идея).

В ноябре 1911 г. Джон Вильям Николсон (1881 — 1955) в Тринити колледже Кембриджа использовал недавно введенную модель Резерфорда и обнаружил, что спектры атомов являются, существенно, квантовыми явлениями. Он писал: «Фундаментальные физические законы должны быть найдены в квантовой теории излучения, недавно разработанной Планком и другими, согласно которой, изменения энергии в системе периодического вида могут получаться только из некоторых определенных величин, определяемыми частотами системы». Также он установил, что следует предположить применение квантового принципа к атому Резерфорда, т.е. что угловой момент атома может увеличиваться или уменьшаться лишь дискретными квантами. Николсон, однако, не следовал идеи Конвея, что только один электрон может в определенный момент времени испускать излучение, и исследовал колебания большого числа электронов, вращающихся вокруг ядра. Он предполагал, что атом с одним электроном не может существовать и, что простейшие и легчайшие атомы должны быть в ряду корония (гипотетический элемент, который был открыт в солнечной короне) с атомным весом около половины водорода, затем водорода и небулия (гипотетический элемент, который предполагался в некоторых туманностях; сегодня мы знаем, что спектральные линии, приписываемые коронию и небулию, на самом деле принадлежат атомам кислорода и азота в высоких возбужденных состояниях) с 2, 3 и 4 электронами соответственно. Более того, он полагал, что гелий был соединением. Это была нелепость ошибочных идей: гелий — элемент, а короний и нибулий не существуют (спектральные линии, приписываемые корониуму, на самом деле принадлежат обычным металлам, таким как железо и никель, в крайне высоких условиях возбуждения), и нет никаких элементов легче, чем водород.

На следующий год идея квантования углового момента атома снова была исследована голландским химиком Нильсом Бёррумом (1879—1958) и Полем Эренфестом (1880—1933), которые вывели правильные выражения, в которых появилась константа Планка h.

Все эти частные результаты, однако, появились с целью попытаться устранить общее видение всей проблемы и смешивались с совершенно ошибочными рассмотрениями. Бор построил свою модель, стараясь дать объяснение многих существующих изысканий и последующих, даже если он и не мог обосновать свои гипотезы.