Страницы истории науки и техники

Есть и еще одно противоречие. В соответствии с законами электродинамики частота излучаемой электроном электромагнитной энергии должна быть равна частоте собственных колебаний электрона в атоме или (что то же) числу оборотов электрона вокруг ядра в секунду. Но в этом случае спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает другое: атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называются линейчатыми (рис. 44). Другими словами, планетарная модель Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла.

Следующая, предложенная Бором модель атома была основана на квантовой теории. Один из крупнейших физиков XX в. — датчанин Нильс Бор (1885–1962) родился и окончил университет в Копенгагене. Работал в Кембриджском университете под руководством Дж. Дж. Томсона и в Манчестерском университете под руководством Резерфорда. В 1916 г. был избран заведующим кафедрой теоретической физики Копенгагенского университета, с 1920 г. и до конца жизни руководил созданным им в Копенгагене Институтом теоретической физики, который теперь носит его имя. В 1943 г., во время оккупации Дании гитлеровцами, Бор, видя, что над ним готовится расправа, с помощью организации Сопротивления перебрался на лодке в Швецию, а затем переехал в США. После окончания войны он возвратился в Копенгаген.

Созданная Бором модель атома основывалась на планетарной модели атома Резерфорда и на разработанной им самим в 1913 г. квантовой теории строения атома. Бором были сформулированы два постулата, совершенно несовместимые с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым (на которых) электрон может существовать, но излучая[317];

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое электрон (атом) излучает или поглощает порцию энергии:

ΔE = hv = E₁ — E₂,

где V, с^-1 — частота излучаемой или поглощаемой электромагнитной энергии[318]; h = 6,62·10^-27 эрг·с — постоянная Планка.

Из постулатов Бора следует, что предложенная им в 1913 г. модель атома являлась как бы «дополненной и исправленной» планетарной моделью.

Действительно, понятными стали линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного стационарного состояния в другое. На рис. 45 представлены энергетические уровни атома водорода, изображенные горизонтальными линиями. Частоты переходов представлены вертикальными линиями, длина которых пропорциональна частоте. Буквы W₁, W₂, W₃ и т. д. обозначают энергию стационарных уровней атома водорода: N₁, N₂, N_з и т. д. — квантовые числа.

Рис. 45. Стационарные уровни энергии атома водорода и частоты спектров (переходов).

Постулаты Бора объясняют устойчивость электронов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Было также установлено, что переход электрона на более далекую от ядра орбиту приводит к увеличению энергии атома и, наоборот, переход электрона на орбиту, более близкую к ядру, вызывает уменьшение энергии атома.

Следует отметить, что модель, предложенная Бором, была встречена с явным недоверием. Этому способствовала ее кажущаяся внутренняя противоречивость. Действительно, орбиты электронов, по Бору, вычислялись на основе законов классической физики, но только некоторые из них, подчиняющиеся дополнительному, ничем не обоснованному правилу, считались реальными. Далее, вопреки классической физике, принималось, что электроны, двигаясь по этим избранным орбитам, не излучают; постулировалось, что элементарный акт излучения происходит при «перескоке» электрона с одной орбиты на другую.

Решающим доводом в пользу теории Бора явилось ее сопоставление с экспериментальными данными. Опираясь на постулаты своей теории, Бор вычислил частоты всех спектральных линий атома водорода. Вычисленные и измеренные частоты совпали с очень высокой точностью. В дальнейшем на основе теории Бора удалось объяснить и некоторые другие особенности спектральных наблюдений.

Вместе с тем теория Бора натолкнулась на непреодолимые трудности. Так, например, на основе теории Бора оказалось невозможным объяснить, почему в спектре атома водорода одни линии яркие, в то время как другие слабые. Не смогла объяснить теория Бора и спектры атомов более сложных, чем водород, у которых имеется несколько электронов.

Создавалось впечатление, что постулаты Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики, о которой речь пойдет ниже.