Н. Бор известен как основатель первой квантовой теории атома и один из участников разработки основ квантовой механики. Ученый также внес ощутимый вклад в развитие теорий ядерной реакции и атомного ядра.
Квантовая теория атома Бора
В 1913 г. Н. Бор распространяет на атомы квантовую теорию, параллельно объясняя частоту волн, испускаемых ими при электрическом разряде. По предположению Бора, электроны могут находиться исключительно на некоторых дискретных орбитах, соответствующих разным энергетическим уровням.
«Перескок» электрона на другую орбиту (с меньшей энергией) будет сопровождаться испусканием фотонов, чья энергия определяется как разность энергий двух орбит.
Модель атома Бора появилась в 1913 г., основой выступает планетарная модель атома, ранее предложенная Резерфордом. Существенной проблемой было противоречие с классической динамикой, согласно которой, при движении вокруг ядра, электрон в модели Резерфорда должен непрерывно и, главное, очень быстро излучать энергию, иначе может ее растерять и упасть на ядро.
Бор для решения такой проблемы допускает, что электроны в атоме могут перемещаться только по стационарным орбитам (некоторым из них) и не будут, пребывая на них, излучать энергию. Энергетическое излучение и поглощение становится возможным только при переходе с одной орбиты на другую. Стационарными считаются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения у электрона будет определяться целым числом постоянных Планка:
$m_evr=n\bar{h}$
Применяя данное допущение, Бор получает возможность определить значения для радиуса стационарной орбиты $R_n$ и энергии $E_n$ для электрона, который находится на ней:
$R_n=4\pi\frac{E_0}{Ze^2}\frac{n^2\bar{h}^2}{m_e}$, где:
- $m_e$ будет массой электрона,
- $Z$ - количеством протонов в ядре,
- $E_0$ - электрической постоянной
- $e$ - зарядом электрона.
Принцип соответствия
В 1918 году в своей статье «Квантовая теория линейных спектров» Н. Бор представляет сформулированный им принцип соответствия. Данный принцип выступает связующим звеном между квантовой теорией и классической физикой.
Идея соответствия была озвучена впервые еще в 1913 году, когда Бор предположил, что переходы между стационарными орбитами (с большими квант-числами) должны давать излучение с такой частотой, которая будет совпадать с частотой обращения электрона.
Принцип соответствия, начиная с 1918 года, стал мощным средством для получения новых результатов. Так, на основании представлений о коэффициентах Эйнштейна, он позволил определить вероятности переходов, а также интенсивности спектральных линий. Также с его помощью стала возможной интерпретация числа и поляризации компонент расщеплений Зеемана.
Впоследствии Бор определил четкую формулировку для принципа соответствия: наличие сопровождающихся излучением переходов между стационарными состояниями, связано с гармоническими компонентами колебаний в движении атома.
В период 1921-1923 гг. в ряде своих работ Бору удалось впервые на основании собственной модели атома объяснить периодическую систему Менделеева с представлением схемы заполнения электронных орбит.
В 1922 г. появилось подтверждение правильности интерпретации периодической таблицы в виде открытия Д. Костером и Г. Хевеши нового элемента – гафния. Как и ранее предсказывал Бор, данный элемент оказался по своим свойствам близок к цирконию, а не к редкоземельным элементам, согласно более ранней версии.
В 1922 году Бору была присуждается Нобелевская премия по физике за большой вклад в изучение строения атома. В своей лекции на тему строения атомов, прочитанной в том же году в Стокгольме, Бор подводит итоги десятилетней работы.
Принцип дополнительности
Новой теорией становится квантовая механика, возникшая в период 1925-1927 гг., благодаря работам Э. Шредингера, В. Гейзенберга, М. Борна, П. Дирака. Наряду с тем, несмотря на формальные успехи квантовой механики, ее основные идеи первое время оставались во многом неясными.
Для полного понимания физических основ квантовой механики требовалось связать теорию с экспериментальной частью и прояснить таким образом смысл используемых в ней понятий, другими словами, - дать интерпретацию ее формализма.
Именно над вопросами физической интерпретации квантовой механики размышлял тогда Н. Бор. Следствием этих размышлений стал принцип дополнительности, представленный ученым в 1927 году на научном конгрессе.
Исходным пунктом в эволюции научных взглядов Бора стало в 1926 г. стало принятие им волнового дуализма (ранее он отказывался признавать реальность эйнштейновских квантов света – фотонов, объясняя свою категоричность сложностью согласования с принципом соответствия). Вместе с Дж. Слэтером он создает статью, где делает предположение о несохранении импульса и энергии в микроскопических индивидуальных процессах (законы сохранения принимали статистический характер).
Именно идеи корпускулярно-волнового дуализма были заложены Н. Бором в основу интерпретации квантовой теории. Развитая в 1927 г. идея дополнительности является непосредственным отражением логического соотношения между наборами представлений и двумя способами описания, которые, хотя и взаимоисключают друг друга, все-таки необходимы для исчерпывающего описания состояния вещей.
Принцип дополнительности также был положен в основу так называемой «копенгагенской интерпретации» квантовой механики, анализа процесса измерения и характеристик микроскопических объектов. Согласно указанной интерпретации, динамические характеристики микрочастицы, позаимствованные из классической физики (ее импульс, координата, энергия) вовсе не присущи ей в самостоятельном контексте.
Роль принципа дополнительности оказалась настолько существенной, что Паули в свое время даже предлагал новое название для квантовой механики – назвать ее «теорией дополнительности» по аналогии с теорией относительности.
