68
Глава 3.
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 Е\, Е2, £3, Е4... Любое изменение энергии связано с квантовым скачкообразным переходом из одного стационарного состояния в другое.
Второй постулат Бора — условие частот излучения (квантовых переходов с излучением). При переходе из одного стационарного состояния с энергией Е-, в другое состояние с энергией Ек атом испускает или поглощает свет определенной частоты v в виде кванта излучения (фотона) hv согласно соотношению
hv = Ej - Ек
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
Чем отличается квантовая механика от классической?
69
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 микрообъектов, 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 состояний, 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
