Развитие представлений о строении атомов

Вернемся к тем противоречиям, которые возникли при попытках объяснить устойчивость атома и возникновение линейчатых спектров с привлечением резерфордовской планетарной модели атома. Они оставались неразрешимыми до тех пор, пока Н. Бор в 1913 г. не применил идею квантования к теории строения атома. Окончательно убедившись в неприменимости законов классической физики к движению электронов в атоме, Н. Бор предположил, что из всех орбит, по которым могут двигаться электроны в электрическом поле атомного ядра, допустимы лишь те, которые удовлетворяют условиям квантования. При этом Н. Бор выдвинул следующий постулат: совершая допускаемое условием квантования орбит движение (т. е. находясь на определенном стационарном уровне энергии), электрон не испускает световых волн. Излучение происходит при переходе электрона с одной орбиты на другую, т. е. с одного уровня энергии Е_n на другой с меньшей энергией Е_m, и при этом рождается квант света с энергией

h n = E_n – E_m.

В результате такого излучения возникает линейчатый спектр атома. Весьма существенным является то, что, использовав квантовую постоянную Планка h, отражающую корпускулярно-волновой дуализм света, Н. Бор показал, что она определяет также и движение электронов в атоме. На основе такого подхода была построена количественная теория для частот линейчатого спектра атома водорода, оказавшаяся в полном соответствии с экспериментальными данными. Квантование внутренней энергии атома вскоре было подтверждено экспериментально немецкими физиками Джеймсом Франком и Густавом Герцем. Они убедительно продемонстрировали, что электроны, сталкиваясь с атомами, передают им энергию только дискретными порциями. Надо сказать, что сам факт применения понятия кванта, введенного для характеристики излучения, к веществу, как это сделал Н. Бор, был чрезвычайно неожиданным и смелым решением, однако дальнейшее развитие квантовых представлений подтвердило его фундаментальный смысл.

Тем не менее следует отметить, что успешное применение квантовых представлений нарушало логическую цельность теории, в которой классическая механика и электродинамика сочетались с чуждыми им понятиями квантования. Такого рода теоретические построения теперь принято называть «полуклассическими». Ограниченные возможности такого подхода не замедлили сказаться: полуклассическая теория Н. Бора оказалась не в состоянии описать движение электронов и возникновение линейчатых спектров в более сложных атомах, чем атом водорода, даже в атоме гелия. Всё это вкупе с результатами дальнейшей разработки вопросов теории атома привело к осознанию того, что процессы движения электронов в атоме (т. е. частиц материи в масштабах микромира) невозможно и неправомочно описывать в понятиях классической механики и электродинамики – как движение по определенным орбитам или траекториям. Назрела необходимость в разработке новой концепции и новой теории, принципиально отличной от классической.

Важный шаг в этом направлении был сделан в 1924 г., когда выдающийся французский физик Луи де Бройль в поисках объяснения постулированных Н. Бором условий квантования атомных орбит электронов выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе, любой частице, независимо от ее природы, соответствует волна, длина которой l связана с импульсом частицы р соотношением l = h / p.

По Л. де Бройлю, не только фотоны, но и электроны, а также любые другие микрочастицы обладают волновыми свойствами наряду с корпускулярными. С каждой микрочастицей можно, поэтому, связывать как корпускулярные характеристики – энергию Е и импульс p, так и волновые – длину волны l и частоту излучения n, которые и для «частиц света» – фотонов, и для «частиц вещества» связаны одними и теми же соотношениями:

E = h n; p = h / l.

Таким образом, произвольной микрочастице с импульсом p соответствует волновой процесс, характеризуемый длиной волны l = h / p, которая получила название длина волны де Бройля.

Уже в 1927 г. гипотеза Л. де Бройля получила надежное экспериментальное подтверждение, когда американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер впервые наблюдали дифракцию электронов на периодической кристаллической решетке (кристаллы никеля), т. е. типично волновое явление. Выбор именно такого эксперимента для выявления волновых свойств объекта исследования вполне логичен. Если вернуться мысленно к периоду, когда начала подвергаться сомнению корректность корпускулярной теории света Ньютона, то поводом для этого послужило именно наблюдение дифракции света – явления, которое оказалось возможным объяснить только на основе волновых представлений. Другое типично волновое явление – интерференция. Поэтому в любой ситуации наблюдение дифракции или интерференции свидетельствует о наличии волновых свойств. Позднее подобным образом были обнаружены волновые свойства атомов и молекул, протонов и нейтронов. Принцип всеобщего дуализма получил полное подтверждение.

Впрочем, за эти три года, прошедшие со времени выдвижения гипотезы Л. де Бройля, в физике XX в. произошли крупные изменения: появилась квантовая механика – физическая теория, основанная на совершенно иных, чем в классической физике, представлениях о свойствах материального мира.

Дата добавления: 2015-07-08