![]() |
![]() |
|
![]() | ![]() |
Открытие дискретности атомных и молекулярных спектров. Атом Бора Пришествие эры атомной физики двадцатого века во многом было опосредовано появлением науки по изучению спектров излучения и поглощения электромагнитного излучения — спектроскопии. Прародителем спектрометра — прибора, измеряющего спектральный состав света — был Ньютон, разложивший белый свет на монохроматические компоненты с помощью треугольной призмы. Для того, чтобы сделать полноценный спектроскоп, необходимо было проградуировать экран, на который проецировалась радуга, единицах длины волны света. Конечно, сам Ньютон не мог этого сделать, поскольку был приверженцем корпускулярной теории света, в которой отсутствовало понятие длины волны.
Вместе с исследованиями сложных веществ ученые-спектроскописты стремились выяснить природу атомных спектров. В данном случае подходящим предметом для изучения был легчайший атом — водород. И действительно, в спектре этого атома наблюдались ярко выраженные тонкие линии, образующие спектральные серии. Первая серия — и единственная, лежащая в видимом диапазоне, — была открыта Иоганном Якобом Бальмером (1825–1898) . Эта серия содержит четыре линии в видимом спектре, остальные же линии содержатся в ближнем ультрафиолете ( Бальмер вывел эмпирическую формулу для длин волн линий открытой серии: Сам Бальмер наблюдал три линии с Серия Бальмера получается отсюда при Однако теоретическая картина сильно осложнилась после опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на атомах, проведенных в 1909 году (см. посвященный им раздел). Оказалось, что стабильная модель атома Томсона должна была быть заменена на планетарную модель, в которой электроны вращаются вокруг ядра с большими скоростями. Как результат, электроны должны были излучать и из-за радиационных потерь энергии падать на ядро за времена порядка
Таким образом, атом должен излучать свет порциями по где Это правило имеет простой физический смысл в свете гипотезы де Бройля: поскольку для частицы с импульсом Для круговых траекторий в кулоновском поле ядра атома водорода Отсюда, применив принцип квантования, мы получаем спектр энергий атома водорода: Тогда из второго постулата Бора получаем длины волн излучения, возникающего при переходах В результате формула Ридберга получает теоретическое подкрепление, при этом постоянная Ридберга выражается через фундаментальные физические константы: Этот результат крайне важен, поскольку до Бора постоянные Ридберга эмпирически определялись из спектроскопических экспериментов с атомами, для которых формула Ридберга приближенно справедлива (водород, гелий, щелочные металлы). Один из первых успехов относился к гелию: ион гелия однако здесь вместо числа Релятивистское рассмотрение атома водорода на основе выдвинутого принципа квантования было предпринято в 1916 году Арнольдом Зоммерфельдом (1868–1951) и выявило расщепление линий атома водорода, которое наблюдал еще Майкельсон. Об этом, так называемом тонком расщеплении линий читатель может подробнее узнать в соответствующем вопросе раздела, посвященного специальной теории относительности. Удивительное согласие с экспериментом, которые дали результаты Бора и Зоммерфельда, основанные на планетарной модели Резерфорда, требовали дальнейшей разработки полуфеноменологической теории Бора в фундаментальную теорию. Действительно, понятие мгновенного квантового перехода между различными орбитами в классической физике не имеет смысла: чтобы заставить частицу «сорваться» со своей гладкой траектории, необходима бесконечная сила. Более того, как упоминалось в разделе, посвященном тонкой структуре атома водорода, Зоммерфельд получил результат, неправильный с теоретической точки зрения: он не принимал во внимание наличие спина электрона, но по счастливой случайности получил формулу, которая имеет место при его наличии! По этой причине эта формула согласовывалась с экспериментом. Источником «счастливой случайности» послужила неточность в постулированном принципе квантования в некоторых физических ситуациях. Наконец, теория Бора не давала среднее время жизни в возбужденных состояниях и относительные яркости спектральных линий. Если считать процесс излучения мгновенным (а ведь энергия излучается порциями!), то, как следует из классического (!) соотношения неопределенностей для спектра излучения, где Высказанные возражения отнюдь не бросают тень на теорию Бора, поскольку в ней был предложен существенно новый принцип, требовавший пересмотра как теоретических посылок и методов проведения экспериментов, так и смены самих категорий, в которых должны строиться теории и интерпретироваться результаты экспериментов. Однако, теория Бора была первым уверенным шагом в квантовую эру (напомним, что Планк не настаивал на дискретном характере движения электронов в атоме, а лишь на порционном характере излучения). <<К предыдущему эксперименту | Квантовая теория | К следующему эксперименту>> |
|
![]() |
![]() |
![]() |