Атом Бора

Электроны в атоме могут находиться только на разрешенных орбитах.

Когда Джон Дальтон впервые в истории современной науки предложил атомную теорию строения вещества, атомы представлялись ему неделимыми, наподобие микроскопических бильярдных шаров. Однако на протяжении всего XIX столетия становилось всё очевиднее, что такая модель неприемлема. Поворотной точкой стало открытие электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году, из которого следовало, что атом состоит из отдельных частиц — прямое свидетельство против его неделимости. Последним гвоздем в крышку гроба неделимого атома стало открытие в 1911 году атомного ядра (см. Опыт Резерфорда). После этих открытий стало ясно, что атом не просто делим, но что он еще и обладает дискретной структурой: состоит из массивного, положительно заряженного центрального ядра и движущихся по орбитам вокруг него легких, отрицательно заряженных электронов.

Но с этой простой планетарной моделью атома тут же возникли проблемы. Прежде всего, согласно физическим законам того времени, такой атом не мог бы просуществовать дольше доли мгновения — на наше счастье, мы имеем все основания утверждать, что этот факт опытом не подтверждается. Аргументация была такова: в соответствии с законами механики Ньютона, электрон, находящийся на орбите, движется с ускорением. Следовательно, согласно уравнениям Максвелла, он должен излучать электромагнитные волны и, как следствие, терять энергию (в силу закона сохранения энергии; см. Уравнение состояния идеального газа) и вскоре сойти с орбиты и упасть на ядро. Это стандартная задачка по физике для студентов-первокурсников, и любой из них легко докажет путем таких рассуждений, что планетарный атом не просуществует и секунды. Очевидно, что-то было не так в этой простой модели строения атома, раз реальные атомы, окружающие нас, просуществовали миллиарды лет.

Разрешить эту проблему и направить физиков по верному пути понимания атомной структуры удалось молодому датскому теоретику Нильсу Бору, недавно прибывшему на стажировку в Англию после защиты докторской диссертации у себя на родине. За отправную точку Бор принял новые постулаты квантовой механики, согласно которым на субатомном уровне энергия испускается исключительно порциями, которые получили название «кванты». Немецкий физик Макс Планк воспользовался положением о том, что атомы излучают свет отдельными частицами (позже Альберт Эйнштейн назвал их «фотоны»), для разрешения застарелой проблемы излучения черного тела. Используя концепцию фотонов, Альберт Эйнштейн теоретически объяснил фотоэлектрический эффект. За свои работы и Планк, и Эйнштейн получили по Нобелевской премии.

Бор развил квантовую теорию еще на шаг и применил ее к состоянию электронов на атомных орбитах. Говоря научным языком, он предположил, что угловой момент электрона (см. Опыт Штерна—Герлаха) квантуется. Далее он показал, что в этом случае электрон не может находиться на произвольном удалении от атомного ядра, а может быть лишь на ряде фиксированных орбит, получивших название «разрешенные орбиты». Электроны, находящиеся на таких орбитах, не могут излучать электромагнитные волны произвольной интенсивности и частоты, иначе им, скорее всего, пришлось бы перейти на более низкую, неразрешенную орбиту. Поэтому они и удерживаются на своей более высокой орбите, подобно самолету в аэропорту отправления, когда аэропорт назначения закрыт по причине нелетной погоды.

Однако электроны могут переходить на другую разрешенную орбиту. Как и большинство явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на другой, не пересекая пространства между ними. Этот эффект назвали «квантовым прыжком», или «квантовым скачком». Позже этот термин обрел широкую популярность и вошел в наш лексикон со значением «внезапное, стремительное улучшение» («Настоящий квантовый скачок в технологии производства наручных часов!»). Если электрон перескакивает на более низкую орбиту, он теряет энергию и, соответственно, испускает квант света — фотон фиксированной энергии с фиксированной длиной волны. На глаз мы различаем фотоны разных энергий по цвету — раскаленная на огне медная проволока светится синим, а натриевая лампа уличного освещения — желтым. Для перехода на более высокую орбиту электрон должен, соответственно, поглотить фотон.

В картине атома по Бору, таким образом, электроны переходят вниз и вверх по орбитам дискретными скачками — с одной разрешенной орбиты на другую, подобно тому, как мы поднимаемся и спускаемся по ступеням лестницы. Каждый скачок обязательно сопровождается испусканием или поглощением кванта энергии электромагнитного излучения, который мы называем фотоном.

Со временем интуитивная гипотеза Бора уступила место строгой систематической формулировке в рамках законов квантовой механики и, в частности, концепции двойственной природы элементарных частиц — корпускулярно-волновой (см. Принцип дополнительности). Сегодня электроны представляются нам не микроскопическими планетами, обращающимися вокруг атомного ядра, а волнами вероятности, плещущимися внутри своих орбит — подобно приливам и отливам в тороидальном бассейне — и подчиняющимися уравнению Шрёдингера. Современные физики, как само собой разумеющееся, рассчитывают характеристики этих волн для самых сложных по структуре атомов и используют их для объяснения свойств и поведения этих атомов. Однако основополагающую картину всей современной квантовой механики нарисовал в своем великом прозрении Нильс Бор — в далеком теперь 1913 году.

См. также:
Закон сохранения электрического заряда
Проба на окрашивание пламени
Постоянная Ридберга
Эффект Зеемана
Фотоэлектрический эффект
Радиоактивный распад
Электронная теория проводимости
Опыт Милликена
Принцип Aufbau
Принцип запрета Паули
Зонная теория проводимости твердых тел
Принцип дополнительности

8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • Kijivljanin  | 26.03.2006 | 06:07 Ответить
    В статье немного напутано, а это принципиально, к моменту модели Бора-Резерфорда открытие Планка на основе излучения черного тела уже состоялось больше десяти лет, а фотоэффект никакого отношения как и весь Эйнштнейн к ядерной модели не имеет.
    Ответить
    • olegvorl10 > Kijivljanin | 05.06.2011 | 22:36 Ответить
      согласен
      Ответить
      • SoKoBaN > olegvorl10 | 08.02.2012 | 12:12 Ответить
        С чем согасны-то?
        У фотоэффекта, открытого Столетовым, была одна необъяснимая, в рамках классической физики, трудность. С первого взгляда все естественно - светим на металлическую пластину, свет (волна, с классической точки зрения) раскачивает и вышибает со своих мест электроны, появляется электрический ток. Следует ожидать, что при увеличении интенсивности света, увеличится и количество вышибаемых электронов, а, следовательно, и сила тока.
        Хорошо, давайте выведем формулу, по которой можно заранее рассчитать силу тока при заданной освещенности пластины. НО! Каждый последующий опыт заводил теоретиков в непроходимые дебри - никакой более или менее путной зависимости между освещенностью и силой тока не выявлялось!!!
        Эйнштейн, занявшись этой проблемой, уже знал о "гипотетическом предположении" Макса Планка, которое тот сделал при объяснении излучения абсолютно черного тела, о том что следует считать что любое тело излучает энергию порциями (квантами). Такое предположение помогло довольно непринужденно решить проблему излучения абсолютно черного тела. Эйнштейн же первый догадался что если тело излучает энергию квантами, то и поглощать ее должно тоже квантами. Созданная им теория фотоэффекта связывает количество получаемого тока не с интенсивностью (амплитудой) направляемого на металл излучения, а с частотой. Иными словами, выходило, что металл лучше всего поглощает лучи определенных частот, и реагирует на это интенсивным "выбросом" электронов.
        Изложенные в работе Эйнштейна рассуждения и подтолкнули (подкрепили) мысли Бора в направлении разрешенных орбит электронов внутри атомов.
        Говорить в такой ситуации, что Эйнштейн не имеет отношения к модели атома Бора, означает примерно тоже самое, как если сказать, что Карл Маркс не имеет отношения к Ленину, или что труды Циолковского не имеют отношения к современной космонавтике.
        Ответить
  • NatanYrlin  | 09.10.2011 | 20:26 Ответить
    В научно-популярном американском фильме (в гарвардском университете снимали)по "24-Техно" сообщалось наоборот, что электрон испускает фотоны, когда переходит на низкую и высокую орбиты. На этом принципе устроены атомные часы, которые высчитывают количество таких вспышек фотонов у атомов цезия. Чё то не пойму, кому верить?
    Ответить
  • Филатов  | 16.02.2014 | 09:35 Ответить
    Пространство между электроном и протоном заполнено материей. Фотон вылетает из атома при изменении внешних условий - давления в окружающей среде, имея плотность равную плотности материи вокруг электрона, и может существовать при данной плотности только определённого объёма. Плотность материи между электроном и протоном, при вылете фотона, меняется и электрон переходит на другую орбиту. Плотность до вылета фотона p1 = m/y^3 после p2 = m/(y-r)^3. Энергия вылетевшего фотона e = (p1-p2)*c^2*y^3 = (mcr)*c/y = hc/y. где m,y,r - масса электрона,длина волны,радиус орбиты электрона.
    Ответить
  • serg12  | 10.12.2014 | 10:26 Ответить
    За прошедшую сотню лет хоть кто-нибудь удосужился экспериментально подтвердить правильность постулатов Бора? Вдруг он ошибся? А на этой ошибке уже нагородили такое, что и в страшном сне не приснится...
    Если взять другую модель атома, то, может быть, можно будет объяснить еще и то, что было необъяснимым до сегодняшнего дня...
    Ответить
  • psp  | 13.09.2015 | 04:30 Ответить
    Кроме того пути, по которому пошёл Бор ,объясняя атом (постулаты и т.п ,из которых возник подход Шредингера-Гейзенберга- Фейнмана ..),возможен был и другой путь -модернизация законов механики Ньютона и уравнений Максвелла, таким образом, что бы электрон НЕ должен излучать электромагнитные волны и, как следствие, НЕ терять энергию.
    Но пойти по такому пути не пришло в голову никому,поскольку для этого слишком необычно надо менять и теорию Ньютона (более радикально, чем в СТО Эйнштейна) и уравнения Максвелла.
    И поэтому сейчас имеем то, что имеем - КМ - теорию с прорехой, тщательно замаскированной.А прореха эта - проблема собственной энергии и массы электрона ,ведущая к бесконечностям .А маскировка эта -рецепты перенормировок и т.п. ,не более чем маскировка,какие бы пляски с бубном вокруг них не производились.Так что и КМ и КТП(К.теория поля) и т.п. на данном этапе - не более чем тупик физики,причём такого же рода ,как и в своё время был тупик у астрономии при теории Аристотеля-Птоломея.Для дальнейшего движения физики требуется новый Коперник...
    Критерий того,что новая теория будет действительно эффективной - это строгий расчёт собственной энергии и массы электрона.Естественно,цифра должна быть конечной и совпадать с экспериментом...
    Ответить
    • ВиРа > psp | 14.09.2015 | 14:17 Ответить
      .
      Из эксперимента 1851 года Армана Физо следует
      крутая правка II закона Ньютона
      и ... жирный крест на "спасении" Эйнштейном
      электродинамики с дальнодействием - Максвелла, -
      см. вып.2 в "Ж'Э'ТФ, 'У'ФН и М'З'" :
      http://galspace.spb.ru/phpBB2/viewtopic.php?f=12&t=1860 ,
      или поиском "вира sum" , -
      'вперёд, СЭР'!
      Ответить
Написать комментарий

около 420 г. до н.э.
1859
1859
1911
1913
Атом Бора
1925
Согласно модели атома Бора, электрон перескакивает на более высокую орбиту при поглощении фотона и соскакивает на более низкую при излучении фотона\n
Согласно модели атома Бора, электрон перескакивает на более высокую орбиту при поглощении фотона и соскакивает на более низкую при излучении фотона


Нильс Бор, один из основоположников современных представлений о субатомном мире, разработчик первой квантово-механической модели строения атома. Фотография сделана в 1948 году в Принстонском университете (США)\n
Нильс Бор, один из основоположников современных представлений о субатомном мире, разработчик первой квантово-механической модели строения атома. Фотография сделана в 1948 году в Принстонском университете (США)
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»