Планетарный атом

В начале века существовали разные, часто противоречивые представления о том, как устроен атом. Но большинство ученых разделяли точку зрения Дж. Дж. Томсона: атом - это равномерно положительно заряженная шар размером около м, внутри которой «плавают» электроны, отрицательный заряд которых компенсирует положительный заряд, так что атом в целом электрически нейтрален.

Хотя многие и соглашался с такой моделью атома, однако некоторые физики имели другую точку зрения. Так, еще в 1903 году японский физик X. Нагаока утверждал другое: "... пространства внутри атома огромные по сравнению с размерами электрических ядрышек, которые его образуют, то есть, атом является своеобразной сложной астрономической системой, подобной кольца Сатурна". Но такая модель планетарного атома имела один непреодолимый недостаток. Электрон, вращающийся по круговой орбите, испытывает центростремительного ускорения, и согласно теории Максвелла должен излучать электромагнитные волны (по законам классической электродинамики не излучает только заряд, движется прямолинейно с постоянной скоростью). Поэтому, теряя энергию на излучение, электрон должен упасть на положительное ядро (это произойдет очень быстро - за время сек) и атом прекратит существование. Иными словами, такая планетарная модель приводила к неустойчивости атома. Однако, реальный атом устойчив, поэтому это не позволяло относиться с оптимизмом к такой планетарной модели. Теория Дж. Дж. Томсона не противоречило требованиям устойчивости атома.

Решающую ответ на вопрос о строении атома дал Эрнест Резерфорд в результате выполненных в 1909-1911 годах опытов с рассеяния а-частиц (ядер гелия), которые излучает препарат радуюсь, если на пути этих а-частиц поставить металлическую фольгу. Был проведен подсчет количества частиц, рассеиваются под разными углами, а результаты проведенных по результатам экспериментов расчетов подтвердили, что атом имеет планетарную структуру. В 1911 году Резерфорд подвел итоги проведенных экспериментов в своем докладе "Рассеяние а- и (3-лучей и строение атома". Атом согласно выводам Резерфорда подобный Солнечной системы: в центре атома находится положительно заряженное ядро чрезвычайно малых размеров (м), но в этом ядре сосредоточена почти вся масса атома, вокруг ядра на расстоянии - ом вращаются электроны. Это очень напоминает Солнечную систему: планеты тоже вращаются вокруг Солнца. Резерфорд наблюдал рассеяния а-частиц, вызванное атомами, - это результат отталкивания положительно заряженных ядер гелия от положительно заряженных ядер атомов.

Экспериментальное подтверждение гипотезы о планетарном атом не только не решило, а, наоборот, обострило основной вопрос: ведь электродинамика утверждает, что такая система существовать не может; электрон, вращающийся по ее законам, неизбежно упадет на ядро. Нужно было делать выбор: либо электродинамика, или планетарный атом. Чтобы выйти из этого затруднительного положения, нужен был Нильс Бор.

При решении этой казалось бы неразрешимой проблемы Бор поступил так, как Александр Македонский с гордиев узлом: он не распутывал его, а разрубил мечом.

Значение работ Резерфорда, которые подтвердили справедливость планетарной модели атома, очень метко охарактеризовал Н. Бор: "Решающим моментом в атомной модели Резерфорда было то, что она со всей ясностью показала: устойчивость атомов нельзя объяснить на основе классической физики, и квантовый постулат - это единственно возможный выход из острой дилеммы. Именно эта острота несоответствия заставила меня абсолютно поверить в правильность квантового постулата ".

Бор сразу же стал сторонником планетарной модели. Впрочем, спустя много лет, в 1922 году, он скажет Гейзенбергу: "Я никогда не воспринимал планетарную систему буквально ...".

Ключом к решению проблемы атомной устойчивости были простые законы, определяющие спектр излучения элементов.

У1913 году Н. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты.

Первый постулат - о стационарных состояниях. В атоме существуют орбиты, двигаясь по которым электрон не излучает.


Второй постулат - о квантовые скачки. Электрон излучает свет, только переходя из одной стационарной орбиты на другую, то есть дискретными порциями. Когда электрон находится на орбите с Наинизший энергией, ему некуда переходить (если он не получает энергию извне). Так было объяснено устойчивость атомов.

Бор переосмыслил формулу Эйнштейна для фотоэффекта, предположив, .что частоту излучаемого света определяет соотношение:

где. - Два возможных значения энергии атома.

Но как определить условие, определяющее стационарную орбиту? У любого кругового движения, кроме радиуса орбиты и скорости движения по ней, есть еще одна характеристика - момент количества движения и, или орбитальный момент. Он равен произведению массы на скорость и на радиус орбиты, то есть:

Бор утверждал: орбитальный момент электрона в атоме L не может быть произвольным, он равен целом кратный от величины

где n - целое число: n - 1,2,3 ...

Это условие позволяет выделить стационарные орбиты (единственно возможные в атоме) из бесконечного числа всех, которые только можно представить. А поскольку в этом выделении основную роль играет квант действия h, то такой подход называется квантованием.

Стационарные орбиты (а, следовательно, и уровни энергии) нумеруются целыми числами п, пробегающие бесконечный ряд значений: n = 1, 2, 3 ... Никакие другие уровни энергии, кроме разрешенных значений в атоме невозможны. Отсутствие непрерывности практически всех характеристик движения электрона в атоме - его энергии, скорости, радиуса орбиты - характерная черта квантовой теории.

Нужно отметить, что успех постулатов Бора определялся двумя обстоятельствами. Во-первых, выполненные в соответствии с теорией Бора расчеты линейчатого спектров элементов вполне совпадали с результатами наблюдений; во-вторых, размеры атомов (м), вычисленные по формуле Бора, совпадали с предсказаниями кинетической теории материи.

Несмотря на необычность постулатов Бора, его теория быстро получила признание / т позволяла группировать разрозненные ранее атомные явления вокруг непонятной, но простой модели.

Эти работы Бора дали решающий толчок всему дальнейшему развитию физики, но тогда он еще не проявил себя как философ, которым стал позже. "Он выступил как физик-теоретик с глубокой интуицией, склонен к оценкам и качественного понимания явлений в большей степени, чем к их математического описания", - отмечает академик А. Б. Мигдал. Гейзенберг в статье "Квантовая теория и ее интерпретация" пишет:


"Математическая ясность сама по себе не имела для Бора какой-то особой ценности. Он опасался, что формальная математическая структура скроет физическую сущность проблемы, и был убежден, что закончен физическое описание должен, безусловно, предшествовать математическом формулировке".

Хотя теория Бора и описывал все главные свойства атомов, содержание правил квантования оставался загадочным. Бор так и назвал эти правила постулатами, то есть недоказанными предположениями.

Только гениальным озарением можно объяснить то, что Бор осмыслил свою теорию до того, как выяснились волновые свойства частиц.

Гейзенберг так писал о постулаты Бора: «Язык образов Бора - это язык поэзии, что отчасти имеет отношение к изображаемой им действительности и которую никогда нельзя понимать буквально .... Постулаты Бора подобные кисти и красок, которые сами по себе еще не является картиной, но с их помощью можно ее создать ".

А в 1949 году Альберт Эйнштейн так вспоминал об эпохе создания квантовой механики: "Все мои попытки приспособить теоретические основы физики к новым результатам потерпели неудачу. Это было так, словно из-под ног ушла земля и нигде не было видно твердой почвы, на котором можно было бы строить. Мне всегда казалось чудом, что этой зыбкой основы, полной противоречий, оказалось достаточно, чтобы позволить Бору - человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем - установить главные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов, включая их значение для химии. Это мне кажется чудом и теперь. Это - самая высокая музыкальность в области мысли ".

В наше время идеи Бора превратились из предмета науки на элемент культуры - высшее, чего может достичь любую теория.

С марта 1972 космическая станция "Пионер-10" стартовала к Юпитеру. На ее борту находилась пластинка, на которой было выгравировано информацию, которую люди Земли решили сообщить другим цивилизациям: размещение Земли в Солнечной системе, силуэты мужчины и женщины и схему атома водорода.

В тридцатые годы Нильс Бор посетил Советский Союз.Приихавшы в Грузию, в один из дней он с группой друзей отдыхал в Алазанской долине; неподалеку от них расположились крестьяне, которые пили вино И пели песни. Нильс Бор подошел к ним. "Это знаменитый физик Нильс Бор", - начали объяснять крестьянам грузинские физики. Но тамада резким жестом остановил их объяснения, и, обращаясь к сотрапезников, провозгласил тост: "Друзья! Наш гость - крупнейший ученый мира, профессор из Дании Нильс Бор. Он создал атомную физику. Его труды изучают школьники всех стран. Пожелаем ему и его спутникам долгих лет жизни, здоровья и счастья! ". Слова тамады тихо переводили Бору, и когда тамада закончил, из земли поднялся старик, подошел к Бора, взял обеими руками руку Бора и поцеловал ее. Вслед поднялся другой горец, наполнил вином чашу и, поклонившись Бору, выпил ее. Бора поразила нереальность происходящего: он заплакал от удивления и благодарности.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >