Начало квантовой теории. Нильс Бор

Начало квантовой теории. Нильс Бор

Согласно квантовой теории, атомы излучают или поглощают лучевую энергию не непрерывно, а порциями, которые называются квантами.

Автором квантовой теории атома считается датский физик-теоретик Нильс Хéндрик Дáвид Бор.  В основе его теории лежит планетарная модель атома Резерфорда

Противоречия планетарной модели атома Резерфорда

Начало квантовой теории. Нильс Бор

Атом Резерфорда

Модель Резерфорда напоминает Солнечную систему. В её центре находится положительно заряженное ядро. А вокруг него под воздействием электрических сил непрерывно вращаются отрицательно заряженные электроны, как планеты вокруг Солнца. Так как атом в целом нейтрален, то положительный заряд ядра равен сумме зарядов электронов.

Но с точки зрения классической физики эта модель имеет противоречия. Дело в том, что, согласно законам электродинамики, вращаясь, электроны должны непрерывно и быстро излучать энергию. А раз так, то их энергия также должна быстро уменьшаться, а со временем и вообще закончиться. И тогда электроны просто должны были упасть на ядро. Такой атом мог бы просуществовать очень короткое время. Кроме того, по мере приближения электрона к ядру частота излучения менялась бы, а спектр излучения был бы непрерывным. В действительности же этого не происходит. Все электроны продолжают вращаться.  И спектры атомов на самом деле линейчатые, так как атомы разных веществ излучают свет определённой частоты. Следовательно, законы классической физики здесь не действуют.

Постулаты Бора

Начало квантовой теории. Нильс Бор

Нильс Хендрик Давид Бор

Нильс Бор дал своё объяснение этому процессу. Взяв за основу модель атома Резерфорда, он предположил, что электроны в атоме двигаются только по стационарным орбитам. В каждом атоме существует несколько таких орбит. Каждой из них соответствует свой номер n = 1, 2, 3, … Причём, чем ближе к атому расположена орбита, тем меньшей энергией обладает электрон. Находясь на таких орбитах, электроны не излучают и не поглощают энергию. Полная энергия атома равна Еn. Излучение энергии происходит, когда электрон скачкообразно переходит с одной орбиты на другую. Она передаётся порциями, которые называются квантами. Квант - неделимая величина.

Начало квантовой теории. Нильс Бор

Модель водородоподобного атома Бора

Свои постулаты Бор сформулировал в 1913 г. следующим образом:

1.Атом может находиться в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, в которых не происходит излучения электромагнитных волн. Каждому из этих состояний соответствует определённая энергия En.

2.Энергия излучается или поглощается только при переходе электрона из одного энергетического состояния в другое (с одной орбиты на другую). Величина кванта энергии равна разности  энергий стационарных состояний:

hѵ = En - Em,

где En и Em значения энергий уровней, между которыми этот переход осуществляется. Энергия излучается, когда происходит переход с верхнего уровня на нижний, а при переходе с нижнего уровня на верхний энергия поглощается.               

Каждая из стационарных круговых орбит имеет соответствующий ей номер n = 1, 2, 3, … Правило квантования момента импульса для каждой орбиты: mvnrn = nħ, где n - натуральные числа (1, 2,3, …), ħ = h/2π называется приведённой постоянной Планка, или постоянной Дирака, h - постоянная Планка. Это константа, связывающая величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой.

Теория Бора довольно противоречива. Она не является ни классической, ни квантовой. Поэтому её иногда называют полуклассической. Учёный дополнил классическую модель атома Резерфорда теорией квантования орбит. Он объяснил дискретность (прерывистость) энергетических состояний водородоподобных атомов, содержащих в своей оболочке только одни электрон. Но эта теория не работает для атомов, расположенных в таблице Менделеева за водородом. Поэтому вскоре на смену ей пришла современная квантовая механика. Но об этом мы расскажем позже.