Чем отличается квантовая механика от классической?
93
Для определения «дозволенных» значений энергии атома квантования его энергии и для нахождения характеристик соответствующих стационарных состояний Бор применил классическую ньютоновскую механику.
В 1913 г. Бор писал, что если мы желаем вообще составить наглядное представление о стационарных состояниях, у нас нет других средств, по крайней мере, сейчас, кроме обычной механики.
На основе изложенных представлений Бор вычислил частоту обращения и радиусы орбит электронов в атоме водорода, нашел наименьший (боровский) радиус круговой орбиты, рассчитал энергию спектров, частоты обращения электронов в зависимости от их энергий. При этом оказалось, что частоты излучаемого атомом света не совпадают с частотами обращения, как этого требует классическая электродинамика, а пропорциональна разности энергий электрона на двух возможных орбитах.
Основные положения квантовой механики - два постулата Бора - были всесторонне подтверждены экспериментами. Дальнейшее развитие атомной физики показало справедливость выдвинутых Бором положений не только для атомов, но и для других микроскопических систем - для молекул и атомных ядер. Это дало основание теоретической физике рассматривать боровские постулаты как твердо установленные опытные квантовые законы.
Однако физики-теоретики были не удовлетворены искусственным соединением электродинамики и классической механики в боровских построениях. Кроме того, теория Бора не справилась со многими задачами теории спектров, в частности, не объяснила интенсивности спектральных линий. При переходе к объяснению движений электронов в атомах более сложных, чем водород, модельная теория Бора оказалась в тупике. Теория оказалась бессильной и в решении такой проблемы, как соединение атомов в молекулы.
Началом нового этапа развития физики и собственно исходным пунктом квантовой механики послужила идея французского физика де Бройля о двойственной природе движения микрообъ
94
Глава 3.
ектов, в частности, электрона. Это дало возможность в 1926 г. Шредингеру показать, что устойчивым движением электрона в атоме соответствуют стоячие волны, причем стационарным орбиталям электронов соответствуют целые числа волн на орбите. Развитие этих представлений позволило разрешить все накопившиеся противоречия, разработать методы расчета распределения плотности электронного заряда в атомах и молекулах, рассчитать энергии электронов в сложных атомах и многое другое.
Важный общий принцип, связанный со спином электрона, был открыт швейцарским физиком Паули в 1925 г. Согласно этому принципу в каждом электронном состоянии в атоме может находиться только один электрон; если данное состояние уже занято каким-либо электроном, то последующий электрон, входя в состав атома, вынужден занимать уже другое состояние. На основе принципа Паули были окончательно установлены числа заполнения электронных оболочек в атомах, определяющие периодичность свойств элементов.
Все дальнейшее развитие квантовой механики базировалось на перечисленных выше постулатах, принципах и моделях, начало которым было положено планетарной моделью Резерфорда.
Однако, несмотря на, казалось бы, общую стройность всей концепции квантовомеханических представлений об устройстве атома, существует множество вопросов, на которые квантовая механика сегодня ответить не в состоянии, и главные вопросы касаются все того же устройства атома.
В самом деле, как все же устроен атом, даже простейший -атом водорода? Почему он состоит из протона и электрона? Почему в сложных атомах положительный заряд ядра в точности равен суммарному заряду орбитальных электронов, а заряды электронов все равны между собой? Чем обеспечивается стационарность орбит, почему, собственно, целое число колебаний электронной волны на орбите обеспечивает ей стационарность? А если это будет не целое число, то каков механизм рассеивания энергии? Ведь отдельные колебания, вероятно, появляются на орбите в разные моменты времени, тогда какая ж разница в том,
