Важным достижением для механики квантов стало формирование квантовой теории строения атома. Многочисленными экспериментами было продемонстрировано строение атома из тяжелого, обладающего положительным электрозарядом ядра и также из окружающих его легких отрицательно заряженных электронов. Такие электроны участвуют в образовании особым образом расположенных оболочек атомов.
Квантовая теория атома Томсона
Исторически первичной (классической) моделью строения атома, предложенной в 1903 г., стала модель физика Томсона. Согласно такой модели, атом может считаться шаром, заряженным положительным электрическим зарядом непрерывным и равномерным образом. Внутри него свои колебательные движения совершают электроны.
В сумме отрицательный заряд всех электронов равнозначен положительному заряду шара, а в целом атом будет электронейтральным. Приблизительные размеры такого положительно заряженного шара, определенные, согласно положениям классической электростатики, согласовывались с истинными размерами атомов.
При условии напряженности электрического поля внутри шара:
$\vec{E}(r) = \vec{r}\frac{e}{R^3}$,
где $е$ будет считаться положительным зарядом шара.
«Квазиупругая» сила, непосредственно воздействующая на электрон, определяется формулой:
$\vec{F} = -e\vec{E} = -k\vec{r}$
Ядерная модель атома Резерфорда
Модель Томсона в действительности оказалась не совершенной и получила свое опровержение посредством экспериментов Э.Резерфорда, годом проведения которых стал 1911. Эксперимент касался рассеяния альфа-частиц при условии прохождения их через тонкостенную металлическую фольгу. Альфа-частицами считаются частицы с массой $ma$ и положительным зарядом $qa = +2qe$, чье образование происходит в момент радиоактивного распада тяжелых элементов.
Согласно опытам, наряду с большинством альфа-частиц, в незначительной мере отклоняющихся от своего первоначального направления, будет наблюдаться определенное число подобных частиц, в момент прохождения через тонкую фольгу резко отклоняющихся на значительные углы.
При этом существенного отклонения из-за взаимодействия альфа частиц с электронами происходить не могло, поскольку масса альфа-частиц оказалась значительно больше сравнительно с массой электронов. Таким образом, отклонение таких частиц объясняет воздействие на них атомных ядер. Резерфорд теоретически рассматривал задачу о рассеянии альфа-частиц в кулоновском поле, создание которого контролировалось положительным зарядом, сосредоточенным в атомном ядре.
Ядерная модель Резерфорда своей структурой напоминает Солнечную систему с присутствием массивного ядра в ее центре (Солнца), при этом вокруг него наблюдается вращение планет по орбитам. Это определило еще одно название такой модели – планетарная.
Резерфорд смог прийти к модели с вращающимися электронами вокруг ядра вследствие понимания невозможности существования статической модели атома. Согласно теореме Ирншоу для классической электростатики, система неподвижных электрозарядов, чье расположение отмечено на конечном расстоянии друг от друга, не способна пребывать в состоянии устойчивого равновесия исключительно под воздействием кулоновских сил. В то же время, такая модель приводит к важности излучения электронами в режиме постоянства атома электромагнитных волн.
Теория строения атомов Бора
Модель Резерфорда стала определенным противоречием классической физике. Так, согласно принципам классической электродинамики, электрон, вращающийся по орбите, должен излучать электромагнитную волну, а следственно, нести энергетические потери. Электрон в конечном итоге должен будет за малое время попасть на ядро, что не происходит в действительности.
Бор попытался разрешить такое противоречие созданием своей теории строения простейших (водородоподобных) атомов, а также ионов с наличием единственного электрона. Он постулировал существование неких орбит (стационарных), при движении по которым электрон не станет излучать энергию или поглощать ее. Каждой из стационарных орбит при этом будет соответствовать конкретное значение энергии движения по орбите электрона $E_n$. Набор разрешенных значений такой энергии формирует спектр энергии в атоме электрона.
Принципиально важным в теории Бора моментом выступает идея квантованности величин: энергии, момента импульса. Так, если в классической механике такие величины, как энергия и момент импульса тела с вращением вокруг оси, способны к изменениям в непрерывном режиме и принятию любых значений (от нулевых до очень высоких величин), в квантовой механике они же принимают исключительно «разрешенные» значения с соответствием каждого движению по определенной орбите.
