Атомные модели

После открытия Томсоном в 1898 году электрона физики начали задаваться следующим вопросом о структуре атомов. Как они устроены? Атомные модели – как получить их прототипы? Электрон несет отрицательный заряд, а поскольку атомы нейтральны, значит, должны существовать частицы с положительным зарядом, которые уравновешивают отрицательный заряд электронов. Также было известно, что масса атомов значительно больше массы электронов. Соответственно, эта масса формируется, главным образом, положительными частицами. Но как располагаются эти два вида частиц внутри атома?атом

Томсон осуществил несколько попыток найти ответ на этот вопрос, однако ясность появилась после знаменитых опытов по рассеянию частиц, осуществленных в 1911-1912 годах Эрнестом Резерфордом (1871-1937). Из них стало совершенно очевидно, что почти вся масса атома сконцентрирована в области, размеры которой на пять порядков меньше размера самого атома. Так появилось понятие атомного ядра, в котором находятся все положительно заряженные частицы (протоны), электроны же располагаются на своих орбитах вокруг этого ядра.

Однако эта планетарная модель вызывала два больших вопроса. Первым была устойчивость атома, вторым — его размеры. Из электромагнитной теории ясно следовало, что все заряженные частицы, осуществлявшие круговое движение (как электроны на орбитах), должны выделять энергию. Электроны должны были бы терять энергию, все больше приближаться к ядру атома и в итоге падать на него. Следовательно, атомы должны быть нестабильны, а это противоречит реальности. Не находил ответа в модели Резерфорда и второй вопрос, касавшийся размеров атома. Не существовало никакого закона или свойства, позволяющего хотя бы просто объяснить, почему электрон занимает ту или иную орбиту.

Было очевидно, что решение этих проблем должно было прийти не из классической физики, но из новых идей квантовой теории. Именно этой дорогой пошел молодой датский физик Нильс Бор, когда предложил собственную модель — первую квантовую модель атома. Бор включил в планетарную модель Резерфорда два постулата, добавленные ad hoc, которые прямо вытекали из квантовых идей Планка и, особенно, Эйнштейна.

См. также:  12 научных фактов «Интерстеллара», вызвавшие споры ученых

 
эйнштейн в цвете

Первый постулат Бора гласил, что электрон находится на орбитах (называемых стационарными состояниями), на которых он не испускает излучения; кроме того, его угловой момент квантуется, то есть он может принимать только дискретные значения. Согласно второму постулату, при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое энергия выражается А£= /rv, где h является постоянной Планка, a v — частотой излучения. Первый постулат позволяет объяснить устойчивость атома: возможны только те орбиты, на которых электрон не испускает никакого излучения. Второй постулат позволяет объяснить, что происходит при фотоэлектрическом эффекте. Электромагнитное излучение действует на электроны, которые могут переходить с одной орбиты на другую или выбиваться с них, но зависит это не от интенсивности излучения, а от его частоты. Бор построил свою модель, в которой законы классической теории сочетаются с принципами квантовой механики, но эта модель при всей своей простоте была совершенно революционной. Гипотеза Бора имела неимоверный успех. Он объяснил многие очевидные опытные данные, касающиеся атома водорода (самого простого из существующих, всего с одним протоном и одним электроном). В то же время на основании модели Бора легко вычислялись формула Бальмера, основанная на простой нумерологии, и выражение Ридберга — Рица. Кроме того, она учитывала постоянную Ридберга (в расчете которой участвуют масса электрона и его электрический заряд) и постоянную Планка. Рассчитанное Бором значение совпадало с экспериментальными данными. Эйнштейн назвал модель Бора «одним из самых глубоких проявлений человеческой мысли». Электронные орбиты Бора были круговыми, и их квантование определялось через введение единственного целого квантового числа, которое было названо главным квантовым числом. Через несколько лет Зоммерфельд расширил модель Бора, введя в нее возможность существования эллиптических орбит.какие то атомы

См. также:  Есть ли пределы эволюции

Это влекло за собой введение двух степеней свободы, и, соответственно, Зоммерфельд заключил, что для описания новых орбит электрона необходимы два целых квантовых числа. Он получил выражение энергии стационарных состояний с учетом двух квантовых чисел, которые назвал п (как и сам Бор) и  доказав, что эти состояния являются вырожденными, то есть имеют одну и ту же энергию для определенных значений квантовых чисел. Зоммерфельд доказал, что все орбиты, соответствующие одному и тому же значению я, вне зависимости от того, круговые они или эллиптические, имеют одну и ту же энергию. В терминологии физики речь идет о вырожденных энергетических уровнях квантового числа.

На втором этапе работы Зоммерфельд ввел в свою модель специальную теорию относительности. Это повлекло неожиданный результат, позволив объяснить тонкую структуру атома водорода. В теории относительности масса зависит от скорости, и из-за этого эллиптические орбиты Зоммерфельда с течением времени прецессируют. Иными словами, положение апогелия и перигелия орбит все время меняется, и они накладываются друг на друга. Следовательно, энергия электронных орбит зависит не только от суммы двух квантовых чисел, введенных Зоммерфельдом, но и от их отдельных значений. Это влекло за собой маленькое изменение энергии, отменявшее вырождение энергетических уровней. Другими словами, стационарные состояния с одинаковым значением энергии теперь из-за релятивистских эффектов разделялись. Зоммерфельд доказал, что изменение энергии выражается квадратом отношенияотношение

Это выражение известно также как постоянная тонкой структуры, и ее значение приблизительно равно 1/137. Следствие модели Зоммерфельда было скоро подтверждено опытами немецкого физика Фридриха Пашена (1865-1947), а спустя некоторое время Зоммерфельд расширил собственную модель, включив в нее все степени свободы пространства, что привело к введению третьего квантового числа.

См. также:  Теория струн простым языком

Модели Бора и Зоммерфельда точно объясняли многие очевидные результаты экспериментов с атомом водорода. Однако множество других данных оставалось без объяснения: это касалось аномального эффекта Зеемана (о котором мы подробно поговорим в следующей главе) и атомов с количеством электронов больше одного. Таким образом, в 1924 году мир физики пребывал в глубоком кризисе. Паули отдавал себе отчет в этой ситуации и вместе с другими молодыми учеными принял активное участие в создании нового видения материального мира. Еще до рождения этого нового видения Паули выдвинул смелую теорию, которая принесла ему всемирную славу и Нобелевскую премию спустя много лет.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.