Планетарна модель атома дозволила пояснити результати дослідів з розсіювання альфа-частинок речовини, проте виникли принципові труднощі при обґрунтуванні стійкості атомів.
Перша спроба побудувати якісно нову - квантову - теорію атома була зроблена в 1913 р Нільсом Бором. Він поставив собі за мету зв'язати в єдине ціле емпіричні закономірності лінійчатих спектрів, ядерну модель атома Резерфорда і квантовий характер випромінювання і поглинання світла. В основу своєї теорії Бор поклав ядерну модель Резерфорда. Він припустив, що електрони рухаються навколо ядра по кругових орбітах. Рух по колу навіть з постійною швидкістю володіє прискоренням. Таке прискорене рух заряду еквівалентно змінному струмі, який створює в просторі змінне електромагнітне поле. На створення цього поля витрачається енергія. Енергія поля може створюватися за рахунок енергії кулонівського взаємодії електрона з ядром. В результаті електрон повинен рухатися по спіралі і впасти на ядро. Однак досвід показує, що атоми - дуже стійкі освіти. Звідси випливає висновок, що результати класичної електродинаміки, заснованої на рівняннях Максвелла, незастосовні до внутрішньоатомних процесам. Необхідно знайти нові закономірності. В основу своєї теорії атома Бор поклав наступні постулати.
Перший постулат Бора (постулат стаціонарних станів): в атомі існують стаціонарні (які не змінюються з часом) стану, в яких він не випромінює енергії. Стаціонарним станам атома відповідають стаціонарні орбіти, по яких рухаються електрони. Рух електронів по стаціонарних орбітах не супроводжується випромінюванням електромагнітних хвиль.
Цей постулат знаходиться в протиріччі з класичною теорією. У стаціонарному стані атома електрон, рухаючись по круговій орбіті, повинен мати дискретні квантові значення моменту імпульсу.
Другий постулат Бора (правило частот): при переході електрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу випромінюється (поглинається) один фотон з енергією
що дорівнює різниці енергій відповідних стаціонарних станів (Еn і Еm - відповідно енергії стаціонарних станів атома до і після випромінювання / поглинання).
Переходу електрона зі стаціонарної орбіти під номером m на стаціонарну орбіту під номером n відповідає перехід атома зі стану з енергією Еm в стан з енергією Еn (рис. 4.1).
Мал. 4.1. До поясненням постулатів Бора
При Еn> Еm відбувається випромінювання фотона (перехід атома зі стану з більшою енергією в стан з меншою енергією, т. Е. Перехід електрона з більш віддаленої від ядра орбіти на більш прилеглу), при Еn <Еm – его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот
квантових переходів і визначає лінійчатий спектр атома.
Теорія Бора блискуче пояснила експериментально спостережуваний лінійчатий спектр водню.
Успіхи теорії атома водню були отримані ціною відмови від фундаментальних положень класичної механіки, яка впродовж більше 200 років залишається безумовно справедливою. Тому велике значення мало пряме експериментальне підтвердження справедливості постулатів Бора, особливо першого - про існування стаціонарних станів. Другий постулат можна розглядати як наслідок закону збереження енергії і гіпотези про існування фотонів.
Німецькі фізики Д. Франк і Г. Герц, вивчаючи методом затримує потенціалу зіткнення електронів з атомами газів (1913р.), Експериментально підтвердили існування стаціонарних станів і дискретність значень енергії атомів.
Незважаючи на безсумнівний успіх концепції Бора стосовно атому водню, для якого виявилося можливим побудувати кількісну теорію спектра, створити подібну теорію для наступного за воднем атома гелію на основі уявлень Бора не вдалося. Щодо атома гелію і більш складних атомів теорія Бора дозволила робити лише якісні (хоча і дуже важливі) ув'язнення. Подання про певні орбітах, по яких рухається електрон в атомі Бора, виявилося вельми умовним. Насправді рух електронів в атомі має мало спільного з рухом планет по орбітах.
В даний час за допомогою квантової механіки можна відповісти на багато питань, що стосуються будови і властивостей атомів будь-яких елементів.
5. основні положення квантової механіки:
Хвильова функція і її фізичний зміст.
Зі змісту попередніх двох параграфів слід, що з мікрочастинок зіставляють хвильовий процес, який відповідає її руху, тому стан частинки в квантовій механіці описують хвильовою функцією. яка залежить від координат і часу y (x, y, z, t). Конкретний вид y -функції визначається станом частинки, характером діючих на неї сил. Якщо силове поле, що діє на частинку, є стаціонарним, тобто не залежати-щим від часу, то y-функцію можна представити у вигляді добутку двох співмножників, один з яких залежить від часу, а інший - від координат:
Надалі будемо розглядати тільки стаціонарні стану. y-функція є ймовірнісної характеристикою стану частинки. Щоб пояснити це, подумки виділимо досить малий обсяг. в межах якого значення y-функції будемо вважати однаковими. Тоді ймовірність знаходження dW частки в даному об'єк-Еме пропорційна йому і залежить від квадрата модуля y-функції (квадрата модуля амплітуди хвиль де Бройля):
Звідси випливає фізичний зміст хвильової функції:
Квадрат модуля хвильової функції має сенс щільності вероят-ності, тобто визначає ймовірність знаходження частинки в одиничному обсязі в околиці точки з координатами х, у, z.
Інтегруючи вираз (3.2) за обсягом, визначаємо ймовірність знаходження частинки в цьому обсязі в умовах стаціонарного поля:
Якщо відомо, що частка перебуває в межах обсягу V, то інте-Граля вираження (3.4), взятий за обсягом V, має дорівнювати одиниці:
- умова нормування y-функції.
Щоб хвильова функція була об'єктивною характеристикою со-стояння мікрочастинок, вона повинна бути кінцевою, однозначною, неодмінно-ривной. тому що ймовірність не може бути більше одиниці, не може бути неоднозначною величиною і не може змінюватися стрибками. Таким чином, стан мікрочастинки повністю визначається хвильовою функцією. Частка може бути виявлена в будь-якій точці простору, в якій хвильова функція відмінна від нуля.