Самая лучшая модель атома начала 20-го века.

Продолжаем изучать квантовую механику, и сегодня я расскажу, какие события предшествовали открытию Луи де Бройлем корпускулярно-волнового дуализма, о котором я рассказывал здесь.

В начале 20-го века велось много споров об устройстве атома. Сначала Томсон предложил свою «кексовую» модель атома. Согласно ней, атом похож на положительно заряженный кекс, в котором, как изюм, равномерно распределены отрицательные электроны.

Но потом Резерфорд, бомбардируя альфа-частицами золотую фольгу, понял, что рассеяние на атомах происходит не в случайном порядке, а так, как будто в центре атома есть что-то сильно положительно заряженное и маленькое. Так родилась его планетарная модель атома: в центре находится положительное ядро, вокруг которого по орбитам двигаются электроны.

Однако, всем тогдашним теоретикам, знавшим электродинамику было очевидно, что движущийся по окружности электрон (а он движется с центростремительным ускорением), должен излучать электромагнитные волны, а, значит, терять свою кинетическую энергию и скорость, и, в конце концов, по спирали приближаясь к ядру, упасть на него.

Здесь, кстати, стоит пояснить, что в электродинамике есть 4 уравнения, на которых она построена – уравнения Максвелла. Согласно им, движущаяся с ускорением заряженная частица порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает переменное магнитное поле, которое снова порождает переменное электрическое, и т.д. Таким образом, рождается электромагнитная волна, которую испускает частица.

Так, модель атома Резерфорда несла в себе противоречие, ведь коллапс атома, очевидно, не случается.

И тогда Нильс Бор предположил, что электрон, скорее всего не испускает во время движения по орбите фотоны и его энергия на ней не меняется. Причем таких стационарных орбит у атома может быть несколько, и каждая со своей энергией. А излучает атом тогда, когда электрон по каким-то причинам перескакивает с орбиты с более высокой энергией на орбиту с более низкой. Излишек выходит в виде фотона. А когда атом поглощает фотон, происходит перескок в обратную сторону. Таким образом, энергия атома дискретна, а не непрерывна, т.е. квантуется.

Бор предложил такую модель на самом простом атоме – атоме водорода. Его теория была не последней, но легла в основу более сложных современных теорий. Она объяснила экспериментальные наблюдения отдельных спектральных линий водорода, а не непрерывного спектра, и позволила рассчитать их.

Конечно, сейчас не идет речь ни о каких орбитах, по которым летают электроны. Более того, невозможно сказать, где конкретно находится электрон, а можно говорить только о некоторой области, в которой с определенной долей вероятности он может находится. Но дискретность энергий атома, предложенная Бором, до сих пор используется в современной физике. Люминесценция, рентгеновское излучение, фотоэффект ­– все эти явления возникают из-за набора стационарных энергий электрона в атоме. Изучение химического состава веществ в разных приборах также работает на основе этой теории.

Квантовая механика от того и называется квантовой, что в ней
есть дискретные (квантующиеся) величины, а не непрерывные. Одной из таких величин является энергия. И основателем квантующейся энергии в атоме был Нильс Бор со своей моделью атома водорода.

Квантование энергии, импульса и некоторых других величин микроскопических объектов – это второе основное отличие квантовой механики от классической после их корпускулярно-волнового дуализма.

О третьем завершающем отличии мы поговорим в следующий раз.

Но только если наберем достаточное количество реакций)