Модели атома и теория Бора

Содержание

Введение
Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает независимо от окружаю­щей среды. Благодаря развитию спектроскопии в XIX в. при изу­чении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что между излуче­нием и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяс­нение только в квантовой теории.

Г. Кирхгоф в 1860 г. сформулировал новый закон, кото­рый гласит, что для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и погло-щательной способностей для всех тел одинаково. Другими слова­ми, если Ехти Ахт — соответственно испускательная и поглоща-тельная способности тела, зависящие от длины волны к и темпе­ратуры Т, то

/>

где /> — некоторая универсальная функция, одинаковая для всех тел.

Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, по­глощающего все падающие на него лучи. Для такого тела, очевид­но, Ахт= 1; тогда универсальная функция ф( А., 7) равна испускатель­ной способности абсолютно черного тела. Сам Кирхгоф не опреде­лил вид функции />, а лишь отметил некоторые ее свойства.

При определении вида универсальной функции />есте­ственно было предположить, что можно воспользоваться теоре­тическими соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. Л. Больцман показал, что полная энергия излу­чения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой сте­пени его температуры. Однако задача конкретного определения вида функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследова­ния в этом направлении, основанные на термодинамике и опти­ке, не привели к успеху.

Опыт давал картину, не объяснимую с точки зрения класси­ческих представлений: при термодинамическом равновесии меж­ду колеблющимися атомами вещества и электромагнитным излу­чением почти вся энергия сосредоточена в колеблющихся атомах и лишь ничтожная часть ее приходится на долю излучения, тогда как согласно классической теории практически вся энергия дол­жна была бы перейти к электромагнитному полю.

В 1880-е гг. эмпирические исследования закономерностей рас­пределения спектральных линий и изучение функции (р(Х,7) ста­ли более интенсивными и систематическими. Была усовершен­ствована экспериментальная аппаратура. Для энергии излучения абсолютно черного тела В. Вин в 1896 г., Дж. Рэлей и Дж. Джине в 1900 г. предложили две различные формулы. Как показали экс­периментальные результаты, формула Вина асимптотически вер­на в области коротких волн и дает резкие расхождения с опытом в области длинных волн, а формула Рэлея — Джинса асимптоти­чески верна для длинных волн, но не применима для коротких.

I В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества М. П л а н к предложил новую формулу для распределения энер­гии в спектре черного тела. Эта формула полностью соответство­вала опыту, но ее физический смысл был не вполне понятен. До­полнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если допустить, что излучение энергии происходит не не­прерывно, а определенными порциями — квантами (е). Более того, е не является любой величиной, а именно, е = hv, где А — определенная константа (постоянная Планка), a v — частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энер­гии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.

Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипо­тезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики.

Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фото­эффекта. В целом ряде исследований были получены подтверж­дения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая ис­следования законов излучения, показывает, что свет обладает од­новременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций клас­сической физики. Требовались новые понятия, новые представ­ления и новый научный язык, для того чтобы физики могли ос­мыслить эти необычные явления. Все это появилось позже — вме­сте с созданием квантовой механики.

Теория атома Н. Бора. Принцип соответствия.

В свете тех выдающихся открытий конца XIX в., которые революционизиро­вали физику, одной из ключевых стала проблема строения ато­мов. Еще в 1889 г. в своей Фарадеевской лекции Д.И. Менделеев отмечал, что в результате выявления специфической периодич­ности химических свойств элементов, расположенных по возрас­тающим атомным весам, центральной проблемой физики стано­вится проблема строения атома1.

В 1909—1910гг. Э. Резерфордом были проведены экспе­риментальные исследования рассеяния а-частиц тонким слоем ве­щества. Как показали эти исследования, большинство а-частиц, пронизывающих тонкий слой вещества, рассеиваются силовыми центрами, которые действуют на них с силой, обратно пропорци­ональной квадрату расстояния. Некоторые сравнительно немногие частицы отклонялись на угол 90° и более; по-видимому, они встретились с очень сильными электрическими полями. Резуль­таты этого исследования позволили Резерфорду в 1911 г. сформу­лировать планетарную модель атома. По модели Резерфорда, атом состоит из положительного ядра гораздо меньших размеров, не­жели атом, — порядка Ю-13 см. Вокруг ядра вращаются электро­ны. Общий заряд атома равен нулю, поэтому заряд ядра по абсо­лютной величине равен пе, где п — число электронов в атоме, е — заряд электрона. Резерфорд полагал также, что число электронов в атоме должно быть равно порядковому номеру элемента в пери­одической системе Менделеева. Но модель Резерфорда не объяс­няла многие выявленные к тому времени закономерности излу­чения атомов, вид атомных спектров и др.

Более совершенную квантовую модель атома предложил в 1913 г. молодой датский физик Н. Бор, работавший в лаборато­рии Резерфорда. Бор понял, что для построения теории, кото­рая объясняла бы и результаты опытов по рассеянию а-частиц, и устойчивость атома, и сериальные закономерности, и ряд дру­гих экспериментальных данных, нужно отказаться от ряда прин­ципов классической физики. Бор взял за основу модель атома Резерфорда и дополнил ее новыми гипотезами, которые не сле­дуют или даже противоречат классическим представлениям. Эти гипотезы известны как постулаты Бора. Они сводятся к следу­ющему.

1. Каждый электрон в атоме может совершать устойчивое ор­битальное движение по определенной орбите, с определенным значением энергии, не испуская и не поглощая электромагнит­ного излучения. В этих состояниях атомные системы обладают энергиями, образующими дискретный ряд: Ех, Е2,..., Е". Состо­яния эти характеризуются своей устойчивостью. Всякое измене­ние энергии в результате поглощения или испускания электро­магнитного излучения может происходить только скачком из од­ного состояния в другое.

2. Электрон способен переходить с одной стационарной орби­ты на другую. Только в этом случае он испускает или поглощает определенную порцию энергии монохроматического излучения определенной частоты. Эта частота зависит от уровня изменения энергии атома при таком переходе. Если при переходе электрона с орбиты на орбиту энергия атома изменяется от Етдо Еп, то испускаемая или поглощаемая частота определяется условием hv=Е -Е.

Эти постулаты Бор использовал для расчета простейшего ато­ма (водорода), рассматривая первоначально наиболее простую его модель: неподвижное ядро, вокруг которого по круговой орбите вращается электрон. Объяснение спектральных линий водорода было большим успехом теории Бора.

Квантовые постулаты Бора были лишь первым шагом в созда­нии квантовой теории атома. Поэтому пришлось воспользовать­ся следующим приемом: сначала задача решалась при помощи классической механики (заведомо неприменимой полностью к внутриатомным движениям), а затем из всего непрерывного мно­жества состояний движения, к которым приводит классическая механика, на основе квантовых постулатов отбирались квантовые состояния. Несмотря на все несовершенство этого метода, он при­вел к большим успехам — позволил объяснить сложные законо­мерности в атомных и молекулярных спектрах, осмыслить при­роду химических взаимодействий и др. Такой подход, по сути, является частным случаем общего принципа, играющего важную роль в современной теоретической физике — принципа соответ­ствия, который гласит, что всякая неклассическая теория в соот­ветствующем предельном случае переходит в классическую.

Важным достижением Бора и других исследователей было раз­витие представления о строении многоэлектронных атомов. Пред­принятые шаги в развитии теории строения более сложных (чем водород) атомов и объяснении структуры их спектров принесли некоторые успехи. Однако они не означали, что эту теорию мож­но считать завершенной. Во-первых, постулаты Бора и многие принципы его теории имели характер непонятных, ни откуда не следуемых утверждений, которые еще должны получить свое обо­снование. Во-вторых, в некоторых даже довольно простых случа­ях применение данной теории встречало непреодолимые трудно­сти; например, попытки теоретически рассчитать даже такой, ка­залось бы, простой атом, как атом гелия, не привели к успеху. Физики ясно понимали неудовлетворительность боровской тео­рии атома)

Таким образом, в первой четверти XX в. перед физикой все еще стояла задача углубления теории атомных явлений. Ее решение потребовало выработки еще более радикальных теоретических принципов. К таковым прежде всего следует отнести гипотезу французского физика Луи де Бройля(1924) о том, что корпускулярно-волновой дуализм носит всеобщий характер, волно­вые свойства присущи любым частицам материи, т.е. не только фотону, но и электрону, протону и др. Согласно де Бройлю, лю­бой частице материи можно поставить в соответствие волну, дли­на которой Х2связана с импульсом частицы р следующим соот­ношением: Я.2 = h/p. Уже в 1927 г. справедливость гипотезы де Бройля была подтверждена экспериментами К.Дж. Дэвиссона и Л. Джер-мера по дифракции электронов, в результате которых выяснилось, что правильно и количественное соотношение для длин «волн де Бройля».

Кроме того, дальнейшая разработка боровской теории атома приводила к выводу о необходимости еще более радикального от­каза от понятий и представлений классической механики (невоз­можно описание движения электронов в атоме в классических образах траектории, орбиты и др.) и создания такой теории, кото­рая оперировала бы величинами, относящимися к начальному и конечному состояниям атома. Такая теория была создана в 1925— 1927 гг. целой плеядой, интернациональным коллективом физи­ков-теоретиков XX в. Среди них такие выдающиеся физики, яркие «звезды первой величины», как Н. Бор, В. Гейзенберг, Э. Шрёдин-гер, Л. де Бройль, М. Борн, П. Иордан, В. Паули, П. Дирак и др.

Идеи и понятия квантовой механики. Принцип неопределен­ности.

В 1925 г. В.Гейзенберг построил так называемую мат­ричную механику; а в 1926 г. Э. Шрёдингер разработал вол­новую механику. Вскоре выяснилось, что и матричная механика, и волновая механика — различные формы единой теории, полу­чившей название квантовой (нерелятивистской) механики.

К созданию матричной механики В. Гейзенберг пришел в ре­зультате исследований спектральных закономерностей, теории дисперсии, где атом представлялся некоторой символической математической моделью — как совокупность гармонических ос­цилляторов. Эти исследования подтолкнули его к мысли о том, что представления об атоме как о системе, состоящей из ядра и вращающихся вокруг него электронов, которые обладают опре­деленной массой и движутся с определенной скоростью по опре­деленной орбите, нужно понимать лишь как аналогию для установления математической модели; подлинные же характеристи­ки атома нами не наблюдаемы. Теория атомных явлений, по Гей-зенбергу, должна ограничиваться установлением соотношений между величинами, которые непосредственно измеряются в экс­периментальных исследованиях («наблюдаемыми» величинами, в терминологии Гейзенберга) — частотой излучения спектральных линий, их интенсивностью, поляризацией и т.п. А «ненаблюдае­мые» величины, такие, как координаты электрона, его скорость, траектория, по которой он движется, и т.д., не следует использо­вать в теории атома. Вместо координат и скоростей электрона в его схеме фигурировали абстрактные алгебраические величины -матрицы. Матрицы соотносились с наблюдаемыми величинами простыми правилами.

Согласно принципу соответствия, соотношения величин но­вой теории должны быть аналогичными соотношениям клас­сических величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую ей квантовую величину и со­ставить соответствующие соотношения между найденными квантовыми величинами. Такие соответствия могут быть полу­чены только из операций измерения. Анализируя закономер­ности измерения величин в квантовой механике, Гейзенберг приходит к важному принципиальному результату о невозмож­ности одновременного точного измерения двух канонически со­пряженных величин и устанавливает так называемое соотно­шение неопределенностей:

/>

где /> — точность измерения какой-либо из координат частицы; /> — точность одновременного измерения соответствующего импульса; h — постоянная Планка. Этот принцип является осно­вой физической интерпретации квантовой механики, ее матема­тического аппарата, играет большую эвристическую роль.

Второе направление в создании квантовой механики опира­лась на идею Л. де Бройля о волновой природе материальных частиц. На первые работы де Бройля, в которых высказывалась идея волн, связанных с материальными частицами, не обрати­ли серьезного внимания. Де Бройль впоследствии писал, что высказанные им идеи были приняты с «удивлением, к которому несомненно примешивалась какая-то доля скептицизма». Но не все скептически отнеслись к идеям де Бройля. Особенно сильное влияние эти идеи оказали на Э. Шрёдингера, который увидел в них основу для создания волнового варианта теории квантовых процессов. В 1926 г. Шрёдингер, развивая идеи де Бройля, построил так называемую волновую механику, в осно­ве которой представление о том, что квантовые процессы сле­дует понимать как некие волновые процессы, характеризуемые волновой функцией у. Функция ц/ определяется дифференци­альным уравнением («уравнение Шрёдингера»). Уравнение Шрёдингера описывает изменение во времени состояния кван­товых объектов, характеризуемых волновой функцией. Если из­вестна волновая функция в некоторый начальный момент, to с помощью уравнения Шрёдингера можно найти волновую функ­цию в любой последующий момент времени t.

Кроме того, Шрёдингер поставил вопрос о связи его теории с теорией Гейзенберга и показал, что при всем различии исходных физических положений они математически эквивалентны. Ина­че говоря, в квантовой механике разница между полем и систе­мой частиц исчезает. Например, электрон, вращающийся вокруг ядра, можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Там, где укладывается целое число длин волн электро­на, волны складываются и образуют боровские разрешенные ор­биты. А там, где целое число длин волн не укладывается, гребни волн компенсируют впадины и орбиты не будут разрешены. Это также означает, что образ материальной точки, занимающей оп­ределенное место в пространстве, строго говоря, является при­ближенным и может быть сохранен только при рассмотрении мак­ропроцессов, подобно тому как мы пользуемся представлением о световом луче, которое теряет смысл, если рассматривать явле­ния дифракции и интерференции.

Математический аппарат квантовой механики оказался логи­чески непротиворечивым, строгим и изящным, а отношения меж­ду математическими и физическими величинами устанавливаются строго и четко. Основные понятия квантовой механики — «кван­товое состояние», «вектор состояния», «оператор» и др. Возмож­ности аппарата квантовой механики возросли, когда анализ спект­ров атомов привел к представлению о том, что электрону (и всем элементарным частицам) кроме заряда и массы присуща еще одна внутренняя характеристика — спин (собственный момент коли­чества движения, имеющий квантовую природу). Представление о спине позволило В. Паули (1925) сформулировать принцип запрета (согласно которому в произвольной физической системе не может быть двух электронов, находящихся в одном и том же квантовом со­стоянии), который имел фундаментальное значение для построения теории атома, квантовой химии, теории твердого тела и др.

За относительно короткое время (нерелятивистская) кванто­вая механика нашла применение при решении большого круга теоретических и практических задач. Прежде всего это касается объяснения строения атомов и молекул, периодической системы элементов, химической связи. С помощью квантовой теории уда­лось построить также более совершенные теории твердого тела, электрической проводимости, термоэлектрических явлений, фер­ромагнетизма и т.д. Она позволила построить теорию радиоактив­ного распада, а в дальнейшем стала базой для ядерной физики и ядерной энергетики.

Вслед за основополагающими работами Шрёдингера по вол­новой механике были предприняты первые попытки релятивист­ского обобщения квантово-механических закономерностей, и уже в 1928 г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

Параллельно со становлением квантовой механики открыва­лись новые элементарные частицы. К открытию в конце XIX в. первой элементарной частицы — электрона — добавились откры­тия фотона (теоретически предсказан А. Эйнштейном, 1905, экс­периментально обнаружен Р. Милликеном, 1915), протона (Э. Ре-зерфорд, 1919), нейтрона (Дж. Чедвик, 1932), позитрона (К. Ан­дерсон, 1932), мюонов (К. Андерсон и др., 1936); в 1930 г. В.Паули было предсказано существование нейтрино, — частицы, которая была экспериментально обнаружена лишь в 1953 г. Вместе с тем до Второй мировой войны открытие новых элементарных час­тиц (в основном в космических лучах) рассматривалось как за­кономерное уточнение квантовой картины материи, которое не несет в себе принципиальных неожиданностей. Ситуация резко изменилась в конце 1940-х — начале 1950-х гг., когда с создани­ем ускорителей заряженных частиц исследования в этой облас­ти получили дополнительный импульс и развернулись широким фронтом.

Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности.

Созданный группой физиков в 1925—1927 гг. формальный математический аппарат квантовой механики убе­дительно продемонстрировал свои широкие возможности по ко­личественному охвату значительного эмпирического материала; не оставалось сомнений, что квантовая механика пригодна для описания широкого круга явлений. Вместе с тем квантовая меха­ника существенно отличается и от классической механики, и от релятивистской физики по многим параметрам. Среди них: ис­ключительная абстрактность квантово-механических формализ­мов, вероятностно-статистический характер описания, замена ди­намических закономерностей статистическими, замена кинема­тических и динамических переменных абстрактными символами некоммутативной алгебры, отсутствие понятий траектории, элек­тронной орбиты, активная роль прибора, выделяющего микро­объект как волну или как частицу, необходимость интерпретации формализмов и др. Все это рождало ощущение незавершенности, неполноты новой теории. Возникла дискуссия о том, каким обра­зом завершать разработку квантовой механики.

А. Эйнштейн и ряд физиков считали, что квантово-механическое описание физической реальности существенно неполно. Ина­че говоря, созданная теория не является фундаментальной, теори­ей, а лишь промежуточной ступенью по отношению к ней, поэто­му квантовую механику необходимо дополнить принципиально новыми постулатами и понятиями, т.е. дорабатывать ту часть ос­нований новой теории, которая связана с ее принципами.

Другие физики (Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн и др.) счи­тали, что новая теория является фундаментальной и дает пол­ное описание физической реальности, а «прояснить положение вещей можно было здесь только путем более глубокого иссле­дования проблемы наблюдений в атомной физике»1. Иначе го­воря, Бор и его единомышленники полагали, что «доработку» квантовой механики следует вести по линии уточнения той ча­сти ее оснований, которые связаны не с принципами теории, а с ее методологическими установками, по линии интерпретации созданного математического формализма. Разработка методо­логических установок квантовой механики, являвшаяся важнейшим звеном в интерпретации этой теории, продолжалась вплоть до конца 1940-х гг. Завершение выработки этой интер­претации означало и завершение научной революции в физи­ке, начавшейся в конце XIX в.

Основной отличительной особенностью экспериментальных исследований в области квантовой механики является фундамен­тальная роль взаимодействия между физическим объектом и из­мерительным устройством. Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом. И свет, и частицы проявляют в различных усло­виях противоречивые свойства, в связи с чем о них возникают противоречивые представления. В измерительных приборах од­ного типа (дифракционная решетка) они представляются в виде непрерывного поля, распределенного в пространстве. В приборах другого типа (пузырьковая камера) эти же микроявления высту­пают как частицы, как материальные точки. Причина корпуску-лярно-волнового дуализма, по Бору, в том, что сам микрообъект не является ни волной, ни частицей в обычном понимании.

Невозможность провести резкую границу между объектом и прибором в квантовой физике выдвигает две задачи: 1) каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе; 2) каким образом, различив их, связать в единую картину теорию объекта.

Вследствие того что сведения о микрообъекте, о его характерис­тиках получают в результате его взаимодействия с классическим прибором (макрообъектом), микрообъект можно интерпретировать только в классических понятиях, т. е. использовать классические представления о волне и частице. Мы как бы вынуждены гово­рить на классическом языке, хотя с его помощью нельзя выразить все особенности микрообъекта, который не является классичес­ким. Поэтому первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на языке классической физики, а принципиально статистическое поведение микрочастиц — на языке квантово-механических формализмов. Вторая задача разрешает­ся с помощью принципа дополнительности: волновое и корпуску­лярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют, а взаимно дополняют друг друга. При одном представлении микро­объекта используется причинное описание соответствующих про­цессов, в другом случае — пространственно-временное. Единая картина объекта синтезирует эти два описания.
Список литературы
Аистов Илья Алексеевич
Концепции современного естествознания: [физика: химия: биология: геология] / Аистов Илья Алексеевич, Голиков Павел Александрович; Зайцев Владимир Викторович. — М. [и др. ]: Питер, 2005. — 204, [1] с.
Горелов Анатолий Алексеевич
Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / Горелов Анатолий Алексеевич. — М.: АСТ: Астрель, 2004. — 380, [2] с.
Карпенков Степан Харланович
Концепции современного естествознания: Практикум: Учеб. пособие для вузов / Карпенков Степан Харланович. — 2-е изд., пеpеpаб., доп. — М.: Высшая школа, 2002. — 252 с.
Мотылева Л. С.
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСВОЗНАНИЯ: Учеб для вузов / Мотылева Л. С., Скоробогатов В. А.; Судариков А. М. — СПб.: Союз, 2000. — 320с.
Самыгин С. И.
Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов / Самыгин С. И., Басаков М. И.; Голубинцев В. О.; Зарубин А. Г.; Любченко В. С.; Под ред. С. И. Самыгина. — 4-е изд., пеpеpаб., доп. — Ростов н /Д: Феникс, 2003. — 447 с
Соломатин Владимир Алексеевич
История и концепции современного естествознания: Учеб. для студентов вузов по геол., геодез. и горн. направлениям и спец / Соломатин Владимир Алексеевич. — М.: ПЕР СЭ, 2002. — 463, [1] с.-( Современное образование). — Лит.: с. 452 — 453. — Указ. имен: с. 454 — 459.
Солопов Е. Ф.
Концепции современного ествествознания: Учеб. пособие для вузов / Солопов Е. Ф. — М.: Владос-Пресс, 2003. — 232с.
Стрельник Ольга Николаевна
Концепции современного естествознания: Крат. курс лекций / Стрельник Ольга Николаевна. — М.: Юрайт, 2003. — 221 c.
Хорошавина Светлана Георгиевна
Концепции современного естествознания: Курс лекций: Учеб. пособие для вузов / Хорошавина Светлана Георгиевна. — 3-е изд., испp. — Ростов н /Д: Феникс, 2003. — 478 с
Шаталов Сергей Владимирович
Концепции современного естествознания: Практикум: Учеб. пособие для вузов / Шаталов Сергей Владимирович. — Ростов н /Д: Феникс, 2003. — 223 с.