• admin
  • Комментариев: 0
  • Просмотров: 248
  • 12-12-2014, 00:19

Коли Джон Дальтон вперше в історії сучасної науки запропонував атомну теорію будови речовини, атоми представлялися йому неподільними, зразок мікроскопічних більярдних куль. Однак протягом усього XIX століття ставало все очевиднішим, 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 році атомного ядра (див. Дослід Резерфорда). Після цих відкриттів стало ясно, що атом не просто ділимо, але що він ще й має дискретною структурою: складається з масивного, позитивно зарядженого центрального ядра рухаються по орбітах навколо нього легких негативно заряджених електронів.

Але з цієї простої планетарною моделлю атома тут же виникли проблеми. Насамперед, згідно фізичним законам того часу, такий атом не міг би проіснувати довше частки миті - на наше щастя, ми маємо всі підстави стверджувати, що цей факт не підтверджується досвідом. Аргументація була така: у відповідності з законами механіки 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; див. Рівняння стану ідеального газу) і незабаром зійти з орбіти і впасти на ядро. Це стандартна задача з фізики для студентів-першокурсників, і кожен 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.

Вирішити цю проблему і направити фізиків по вірному шляху розуміння атомної структури вдалося молодому датському теоретику Нільса Бору, нещодавно прибув на стажування до Англії після захисту докторської дисертації у себе на батьківщині. За відправну точку Бор прийняв нові постулати квантової механіки, згідно з яким на субатомному рівні енергія випускається виключно порціями, які отримали назву «кванти». Німецький фізик Макс Планк скористався положенням 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, Ейнштейн отримали Нобелівської премії.

Бор розвив квантову теорію ще на крок і застосував її до стану електронів на атомних орбітах. Кажучи науковою мовою, він припустив, що кутовий момент електрона (див. Дослід Штерна-Герлаха) квантується. Далі він показав, що в цьому випадку електрон не може знаходитися на довільному видаленні від атомного ядра, а може бути лише на деяких фіксованих орбіт, які отримали назву «дозволені орбіти». Електрони, що знаходяться на таких орбітах, не можуть випромінювати електромагнітні хвилі довільної інтенсивності і частоти, інакше їм, швидше за все, довелося б перейти на більш низьку, недозволену орбіту. Тому вони і утримуються на своїй більш високій орбіті, подібно літаку в аеропорту відправлення, коли аеропорт призначення закритий через нельотну погоду.

Однак електрони можуть переходити на іншу дозволену орбіту. Як і більшість явищ у світі квантової механіки, цей процес не так просто уявити 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 ввійшов у наш лексикон зі значенням «раптовий, стрімкий поліпшення» («Справжній квантовий стрибок у технології виробництва наручних годинників!»). Якщо електрон перескакує на більш низьку орбіту, він втрачає енергію і, відповідно, випускає квант світла - фотон фіксованої 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.

У картині атома по Бору, таким чином, електрони переходять вниз і вгору по орбітах дискретними стрибками з однієї дозволеної орбіти на іншу, подібно до того, як ми піднімаємося і спускаємося по сходинках сходів. Кожен стрибок обов'язково супроводжується випущенням або поглинанням кванта енергії електромагнітного випромінювання, який ми називаємо фотоном.

З часом інтуїтивна гіпотеза Бору поступилася місцем суворої систематичної формулюванні в рамках законів квантової механіки і, зокрема, концепції двоїстої природи елементарних частинок - корпускулярно-хвильовий (див. Принцип додатковості). Сьогодні електрони представляються нам не мікроскопічними планетами, що обертаються навколо атомного ядра, а хвилями ймовірності, які плескалися в межах своїх орбіт - подібно припливи і відпливи в тороїдальним басейні - і підкоряються рівнянню Шредінгера. Сучасні фізики, як само собою зрозуміле, розраховують характеристики цих хвиль для самих складних за структурою 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 - в далекому тепер 1913 році.