Нильс Бор (1885–1962) работал в 1912 году у Резерфорда, который проводил многочисленные опыты по рассеянию. Затем физик вернулся в Копенгаген, где и представил общественности множество новых идей. Ученый хотел объяснить ряд физических явлений, помимо только что открытых в «ядерных» экспериментах. Теперь, была полностью отвергнута представленная ранее модель атома, в результате чего дискретные и узкие спектральные линии казались все менее понятными в излучении трубок и эмпирические закономерности.
Постулаты Бора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ">
Рисунок 1. Постулаты Бора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
По утверждениям ученого, для определенного металла можно выделить собственную пороговую частоту. Опыты продемонстрировали, что все вещества, которые тормозят действие электростатического поля, уменьшают до нуля ток движущихся в цепи фотоэлектронов. Этот процесс не зависит от интенсивности поглощенного света, но представляет собой длину волны.
Электромагнитная теория Бора – это совокупность идей о происхождении электромагнитных волн, предназначенных для испускания электрона с любой скоростью в атоме для поглощения необходимого количества энергии.
Бор смог применить квантовую гипотезу к описанию основных орбит электронов в атомах и их постоянного излучения. Исследователь отбросил предположение о том, что физические тела ведут себя подобно неким осцилляторам, а вместо этого учредил динамику атома в виде движущихся по определенной линии электронов, наподобие движения планет по орбитам вокруг светила.
Мощность электростатического притяжения одного электрона ядром считается центростремительной силой, которая заставляет элементарные частицы двигаться строго по круговой орбите радиуса r со скоростью $v$. Таким образом, Бор со своей гипотезой с самого начала смог получить невероятный успех в научном мире, предоставив качественную и количественную трактовку линиям водородного потенциала и использовав в своих работах идеи Планка и Эйнштейна о квантах в теории активных оптических спектров.
Постулаты Бора
Бор предположил, что все электроны двигаются в атоме исключительно под воздействием стационарных орбит, взяв за основу своих теорий модель атома Резерфорда. Ученый утверждал, что в каждом атоме есть несколько таких орбит, следовательно, каждому из них необходимо предоставить личный номер $n = 1, 2, 3, …$ Причем, чем ближе к самому атому находится орбита, тем меньшей энергией преломления обладает электрон. Располагаясь на таких орбитах, электроны не в силах самостоятельно излучать и не поглощать энергию. Энергетическая сила атома равна $En$. Излучение энергии наблюдается тогда, когда элементы переходит скачкообразно с одной орбиты на другую. Она передается определенными порциями, которые в физике называются квантами. Квант – абсолютная и неделимая величина.
Свои постулаты Бор озвучил еще в начале 1913 года следующим образом:
- Атом может располагаться только в особенных квантовых или стационарных состояниях, в которых не возникает излучение электромагнитных волн. Каждому из этих процессов соответствует энергия $En$.
- Энергия поглощается или излучается посредством трансформации электрона в иное энергетическое состояния, то есть с одной орбиты на другую. Величина одного кванта энергии пропорциональна разности общих энергий стационарных состояний. Энергия отдает свои ресурсы, когда происходит плавный переход с верхнего уровня на нижний, а при переходе с самой низкой точки до верхней энергетическая сила поглощается.
В этом плане гипотеза Бора достаточно противоречива и неоднозначна. Она не является ни квантовой, ни классической
Поэтому ученые иногда называют ее полуклассической. Бор дополнил классическое представление о строении атома теорией квантования орбит. Физик конкретизировал принцип прерывистости энергетических состояний водородоподобных элементов, которые включают в себя только один электрон. Но эта идея не работает для атомов, которые находятся в таблице Менделеева за водородом в результате вскоре на смену ей пришла современная квантовая механика.
Трудности применения теории Бора в квантовой механике
Рисунок 2. Трудности применения теории Бора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Наибольший успех гипотеза Бора имела в использовании к атому водорода, для которого вполне реально построить количественную теорию спектра. Однако создать аналогичное утверждение для следующего за водородом атома гелия на базе идей Бора так и не удалось. Это возможно объяснить тем, что теория ученого считается половинчатой, следовательно, вызывает внутреннее противоречие. С одной стороны, при создании теории атома водорода применялись обычные законы механики Ньютона и известный всем закон Кулона, а с другой — использовались квантовые постулаты, не связанные с механическими представлениями Ньютона и электродинамикой Максвелла.
Постепенное введение в физику квантовых теорий требовало кардинальной переработки как электродинамических учений, так и механики.
Такая трансформация была осуществлена в начале XX столетия, когда разрабатывались новые физические гипотезы. Постулаты Бора в результате оказались правильными и необходимыми для квантовой физики. Но они исследовались уже не как теории, а как следствия ключевых принципов этих постулатов. Концепция же квантования Бора, как оказалось, подходит далеко не ко всем элементам.
По утверждениям исследователя, электрон находится большую часть времени на определенном расстоянии от ядра. Этот показатель можно представить в виде грубого аналога радиуса орбиты. Фотография атоме не походила бы на привычное изображение Солнечной системы, а напоминала бы непонятное расплывчатое пятно, полученное при запечатлении бабочки, которая порхает возле фонаря. На сегодняшний день с помощью квантовой механики возможно ответить практически на любой вопрос, относящийся напрямую к свойствам электронных оболочек атомов.
Квантово-механический подход Бора
Квантово-механический подход Бора к атомным проблемам позволил разрешить ученым ряд вопросов:
- исключить волновую механику в корпускулярной трактовке явлений;
- кардинально изменить уравнения, которые основаны на представлении об электроне, как о точечном заряде;
- дополнить более точной механикой ранее представленную теорию Зоммерфельда, в результате чего удалось объяснить широкий круг явлений.
Стало понятным существование целой серии спектральных линий действующего водорода, наличие их неопределенной структуры, характеристики постоянного рассеяния электронов в газах и смещение в атомах спектральных линий. Кроме того, удалось точно определить потенциал ионизации водорода, но трудности все же остались.
Теория Бора давала прекрасные результаты в случае одноэлектронных атомов, но она не смогла детально описать обычный атом гелия, который включает в себя два электрона и другие многоэлектронные частицы.
Наконец, и постулаты Бора выглядели совершенно произвольными при изучении квантования момента импульса на электронных орбитах. Дело в том, что в те времена два принципа построения сложных атомов были неизвестны, это - принцип запрета Паули и существование у электрона спина.
Недостатки гипотезы Бора, которая базировалась на механике классических частиц наряду с действием квантовых постулатов, высветили основную проблему правильной трактовки движения электронов на малых расстояниях.
