Учебная работа. Доклад: Атом Бора
Когда Джон Дальтон в первый раз в истории современной науки предложил атомную теорию строения вещества, атомы представлялись ему неразделимыми, наподобие микроскопичных бильярдных шаров. Но в протяжении всего XIX столетия становилось всё очевиднее, что таковая модель неприемлема. Поворотной точкой сделалось открытие электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году, из которого следовало, что атом состоит из отдельных частиц — прямое свидетельство против его неделимости. Крайним гвоздем в крышку гроба неразделимого атома сделалось открытие в 1911 году атомного ядра (см. Опыт Резерфорда). Опосля этих открытий сделалось ясно, что атом не попросту делим, но что он к тому же владеет дискретной структурой: состоит из громоздкого, положительно заряженного центрального ядра и передвигающихся по орбитам вокруг него легких, негативно заряженных электронов.
Но с данной нам обычной планетарной моделью атома здесь же появились препядствия. До этого всего, согласно физическим законам того времени, таковой атом не мог бы просуществовать подольше толики мгновения — на наше Счастье, мы имеем все основания утверждать, что данный факт опытом не подтверждается. Аргументация была такая: в согласовании с законами движения Ньютона, электрон, находящийся на орбите, движется с убыстрением. Как следует, согласно уравнениям Максвелла, он должен источать электромагнитные волны и, как следствие, терять энергию (в силу закона сохранения энергии; см. Главный законтермодинамики) и скоро сойти с орбиты и свалиться на ядро. Это обычная задача по физике для студентов-первокурсников, и хоть какой из их просто обоснует методом таковых рассуждений, что планетарный атом не просуществует и секунды. Разумеется, что-то было не так в данной нам обычной модели строения атома, раз настоящие атомы, окружающие нас, просуществовали млрд лет.
Разрешить эту делему и навести физиков по верному пути осознания атомной структуры удалось юному датскому теоретику Нильсу Бору, не так давно прибывшему на стажировку в Великобританию опосля защиты докторской диссертации у себя на родине. За отправную точку Бор принял новейшие постулаты квантовой механики, согласно которым на субатомном уровне энергия испускается только порциями, которые получили заглавие «кванты». Германский физик Макс Планк пользовался положением о том, что атомы источают свет отдельными частичками (позднее Альберт Эйнштейн именовал их «фотоны»), для разрешения застарелой препядствия излучения темного тела. Используя теорию фотонов, Альберт Эйнштейн на теоретическом уровне растолковал фотоэлектрический эффект. За свои работы и Планк, и Эйнштейн получили по Нобелевской премии.
Бор развил квантовую теорию еще на шаг и применил ее к состоянию электронов на атомных орбитах. Говоря научным языком, он представил, что угловой момент электрона (см. Опыт Штерна—Герлаха) квантуется. Дальше он показал, что в этом случае электрон не может находиться на случайном удалении от атомного ядра, а быть может только на ряде фиксированных орбит, получивших заглавие «разрешенные орбиты». Электроны, находящиеся на таковых орбитах, не могут источать электромагнитные волны случайной интенсивности и частоты, по другому им, быстрее всего, пришлось бы перейти на наиболее низкую, неразрешенную орбиту. Потому они и удерживаются на собственной наиболее высочайшей орбите, подобно самолету в аэропорту отправления, когда аэропорт предназначения закрыт из-за нелетной погоды.
Но электроны могут перебегать на другую разрешенную орбиту. Как и большая часть явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на иной, не пересекая места меж ними. Этот эффект окрестили «квантовым прыжком», либо «квантовым скачком». Позднее этот термин обрел широкую популярность и вошел в наш лексикон со значением «неожиданное, быстрое улучшение» («Реальный квантовый скачок в технологии производства наручных часов!»). Если электрон перескакивает на наиболее низкую орбиту, он теряет энергию и, соответственно, испускает квант света — фотон фиксированной энергии с фиксированной длиной волны. На глаз мы различаем фотоны различных энергий по цвету — раскаленная на огне медная проволока сияет голубым, а натриевая лампа уличного освещения — желтоватым. Для перехода на наиболее высшую орбиту электрон должен, соответственно, поглотить фотон.
В картине атома по Бору, таковым образом, электроны перебегают вниз и ввысь по орбитам дискретными скачками — с одной разрешенной орбиты на другую, подобно тому, как мы поднимаемся и спускаемся по ступеням лестницы. Любой скачок непременно сопровождается испусканием либо поглощением кванта энергии электромагнитного излучения, который мы называем фотоном.
Со временем интуитивная догадка Бора уступила пространство серьезной периодической формулировке в рамках законов квантовой механики и, а именно, концепции двоякой природы простых частиц — корпускулярно-волновой (см. Принцип дополнительности). сейчас электроны представляются нам не микроскопичными планетками, обращающимися вокруг атомного ядра, а волнами вероятности, плещущимися снутри собственных орбит — подобно приливам и отливам в тороидальном бассейне — и подчиняющимися уравнению Шрёдингера. Современные физики, как само собой разумеющееся, рассчитывают свойства этих волн для самых сложных по структуре атомов и употребляют их для разъяснения параметров и поведения этих атомов. Но основополагающую картину всей современной квантовой механики нарисовал в собственном величавом прозрении Нильс Бор — в дальнем сейчас 1913 году.
]]>