Чем отличается квантовая механика от классической?
91
и ее экспериментальное подтверждение дали бесспорное доказательство сложности атома.
Представление о неделимости и не превращаемости атома было окончательно опровергнуто работами французских ученых М.Склодовской-Кюри и П.Кюри, а также работами английского радиохимика Содди.
Результаты исследования свойств электрона и радиоактивности позволили строить конкретные модели атома. В модели, предложенной Дж.Дж.Томсоном в 1903 г. атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую вкраплены незначительные по размеру по сравнению с атомом отрицательно заряженные электроны. Они удерживаются в атоме благодаря тому, что силы притяжения их распределенным положительным зарядом уравновешиваются силами их взаимного отталкивания. Томсоновская модель давала известное объяснение возможности испускания, поглощения и рассеяния света атомом. Однако модель Томсона оказалась неудовлетворительной, так как на ее основе не удалось объяснить совершенно неожиданный результат опытов английского ученого Резерфорда и его сотрудников Г ей-гера и Марсдена по рассеянию альфа-частиц атомами: при прохождении пучка альфа-частиц через тонкий слой вещества происходило небольшое размытие пучка. Однако очень малая доля альфа-частиц отклонялась на углы, превышающие 90о. Этот результат можно было объяснить только в том случае, если в атоме содержится положительно заряженное ядро малого размера по сравнению с размером самого атома. Поэтому томсоновская модель не годилась.
В 1911 г. Резерфорд предложил принципиально новую модель атома, напоминавшую по строению солнечную систему и получившую название планетарной. Согласно этой модели в центре каждого атома имеется положительно заряженное ядро малого размера, вокруг которого на различных орбитах движутся отрицательно заряженные электроны. Положительный заряд ядра в точности равен сумме зарядов электронов, поэтому атом в целом нейтрален. Для проверки планетарной модели Резерфорд и его
92
Глава 3.
ученик Дарвин подсчитали угловое распределение частиц, рассеянных точечным ядром - центром кулоновских сил. Полученный результат был проверен опытным путем - измерением числа альфа-частиц, рассеянных под разными углами. Результаты опыта в точности совпали с теоретическими расчетами, блестяще подтвердив тем самым планетарную модель Резерфорда [1].
Однако планетарная модель атома натолкнулась на принципиальные трудности. Согласно классической электродинамике заряженная частица, движущаяся с ускорением, должна непрерывно излучать электромагнитную энергию. Но при этом они за ничтожную долю секунды потеряли бы всю свою кинетическую энергию и упали на ядро. Другая трудность, связанная также с излучением, состояла в том, что частота излучаемого света электроном должна быть равна частоте обращения электрона вокруг ядра, что противоречило опытным данным. Таким образом, в рамках модели атома Резерфорда не могли быть объяснены устойчивость атома по отношению к излучению и линейчатые спектры его излучения [2-4].
Возникшие противоречия были разрешены в 1913 г. датским ученым Бором, выдвинувшим два постулата, не укладывающихся в рамки классической физики [5].
Первый постулат Бора - существование стационарных состояний атома. Атом не излучает и является устойчивым лишь в некоторых стационарных (неизменных во времени) состояниях, соответствующих дискретному (прерывному) ряду «дозволенных» значений энергии Еь Е2, Е3, Е4... Любое изменение энергии связано с квантовым скачкообразным переходом из одно стационарного состояния в другое.
Второй постулат Бора - условие частот излучения (квантовых переходов с излучением). При переходе из одного стационарного состояния с энергией Ei в другое состояние с энергией Ek атом испускает или поглощает свет определенной частоты v в виде кванта излучения (фотона) hv согласно соотношению
hv = Ei - Ek
