Нильс Бор. Квантовая модель атома

На основе этой модели Бор получил спектр атома водорода, который был прекрасно известен уже несколько десятилетий. Каждая линия спектра (каждая частота испускаемого света) соответствовала переходу электрона с одной орбиты на другую, меньшую. Так модель Бора перестала быть чистым предположением вроде тех, что обычно выдвигал Томсон, и превратилась в модель, обладающую прогностической способностью. Впервые атомная модель количественно (а не только качественно) объяснила детали спектра атома водорода.

АТОМЫ КАК СОЛНЕЧНЫЕ СИСТЕМЫ

Бор не был первым, кто ввел постоянную Планка для объяснения атома.

В 1912 году кембриджский астроном Джон Уильям Николсон (1881-1955) предположил, что электроны вращаются вокруг гипотетически положительного ядра по орбитам, угловой момент которых кратен постоянной Планка. Поскольку Николсон был астрономом, неудивительно, что даже до экспериментов Резерфорда он представлял себе атомы в виде микроскопических солнечных систем.

Электроны, вероятно, также колеблются с частотой, кратной той же самой постоянной, как показано на рисунке. Представим себе, что мы движемся на карусели по кругу и одновременно периодически колеблемся сверху вниз, при этом в начальной точке круга есть дверь, через которую мы проходим каждый раз. когда совершаем полный оборот. Таким образом, важно, чтобы наши вертикальные колебания находились в фазе с вращательным движением. То есть каждый раз, когда мы совершаем полный оборот, наше вертикальное колебание должно поместить нас в исходное положение, чтобы мы могли пройти через дверь. Для некоторых современников модели Бора и Николсона были сходными, и даже говорили о модели Бора — Николсона. Но это неверно. В случае модели астронома излучение спектра вызвано колебанием электронов внутри орбиты. Если бы это было так, допускалось бы присутствие других орбит с другими колебаниями. Однако в модели Бора излучение спектра внутри орбиты вызывало не колебание электронов, а переход с одной орбиты на другую. Эта разница важна, потому что в случае модели Бора понятие орбиты перестает быть основным, и значимость обретает именно переход с одного уровня энергии на другой. И в этом корень постулатов квантовой механики.

Очевидно, что не все приняли эту модель. В 1913 году не было ни празднований, ни семинаров, посвященных атому Бора, эта новость не попала в популярные газеты и журналы. Дело в том, что несмотря на прогностическую способность и математическую точность, атом Бора противоречил многим постулатам физики того времени. Почему электроны могут быть только на определенных орбитах? Почему провозглашалось невозможным нахождение электрона на полпути между двумя орбитами? Каков механизм, обязывающий электроны вести себя таким образом? Какие ограничения мешают им двигаться куда угодно внутри атома? Если сравнить это с Солнечной системой, хотя и нет никакой планеты между Землей и Венерой или между Венерой и Меркурием, законы Ньютона подобной возможности априори не исключают. Отсутствие такой планеты — чистая случайность, результат того, как расположились существующие планеты вокруг Солнца. Но Бор говорил, что электроны не могут занимать другие орбиты кроме установленных квантовым отношением. Нет смысла задаваться вопросом о переходе с одной орбиты на другую: электроны находятся либо на одной, либо на другой, и никогда — между ними двумя!