Модели атома
В период открытия первых трех фундаментальных частиц (электрона, протона и нейтрона) был выдвинут целый ряд моделей строения атома (рис. 1.4). Томсонова модель «сливового пудинга» уподобляла атом сферическому «пудингу» с положительным электрическим зарядом, в который вкраплены отрицательно заряженные шарики-электроны. После эксперимента Гейгера и Марсдена в 1910 г. Резерфорд предложил другую модель, согласно которой атом состоит из очень плотного тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного облаком легких отрицательно заряженных электронов. Позже, в 1913 г., Н. Бор создал планетарную модель атома, которая используется еще и в настоящее время (см. разд. 1.2). Подобно Резерфорду, Бор представлял себе атом в виде положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Однако он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по устойчивым круговым орбитам. Этим орбитам соответствуют различные энергии. Перескакивая с одной орбиты на другую, электроны могут приобретать либо терять энергию.
Кванты.
В 1900 г. Макс Планк предположил, что поглощение либо испускание энергии может осуществляться только строго определенными дискретными порциями, названными им квантами. Величина этих порций энергии Е предполагалась связанной с частотой v излучения, переносящего энергию, коэффициентом пропорциональности
Рис. 1.4. Первые модели строения атома, а - модель «сливового пудинга» (Томсон, 1904 г.), согласно которой атом представляет собой положительно заряженную сферу с внедренными в нее электронами; б - ядерная модель атома (Резерфорд, 1911 г.), согласно которой положительно заряженное ядро окружено облаком электронов; в планетарная модель атома (Бор, 1913 г.), согласно которой электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам.
h, получившим название постоянной Планка:
Следовательно, чем больше энергия кванта, тем выше частота излучения.
В 1905 г. Альберт Эйнштейн постулировал, что любое излучение состоит из дискретных частиц-квантов излучения, называемых фотонами. Он использовал это представление, чтобы объяснить, почему поверхность металлов, облучаемая светом, при определенных условиях испускает электроны (явление получило название фотоэлектрический эффект).
В результате возникло представление о двойственной природе (корпускулярно-вол-новом дуализме) света. Свет может проявлять свои волновые свойства, о чем свидетельствуют, например, его интерференция и дифракция, но может обладать и свойствами пучка частиц (корпускул), как это проявляется в фотоэлектрическом эффекте.
В 1924 г. Луи де Бройль распространил это представление о корпускулярно-волновом дуализме на электроны. Впоследствии было экспериментально установлено, что пучок электронов может создавать интерференционную либо дифракционную картину подобно пучку света. Это открытие привело к созданию квантовой механики. Квантовая механика основывалась на атомной модели Бора, а также на принципе запрета Паули (Вольфганг Паули, 1925 г.). Этот принцип точно предопределял расположение электронов на дискретных энергетических уровнях вокруг ядра.
В 1926 г. Эрвин Шредингер предложил для описания движения субатомных частиц свое знаменитое волновое уравнение. Вскоре после этого в 1927 г. был сформулирован принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, положение и скорость субатомной частицы не поддаются одновременному определению с абсолютной точностью. В каждый момент времени точно можно определить лишь одно из этих двух свойств.
В 1925 г. Вернер Гейзенберг использовал в своей теоретической работе по квантовой механике матричный математический метод. Кульминацией развития квантовой механики явилась работа Поля Дирака. Дирак развил матричную формулировку квантовой механики, и это позволило ему теоретически объяснить корпускулярно-волновой дуализм. Он показал, что в некоторых ситуациях интенсивность волны в какой-либо точке пространства эквивалентна плотности частиц в ней. В других ситуациях плотность частиц настолько низка, что можно вообще пренебречь их волновой природой. Такой подход позволил Дираку предсказать существование спина электрона, а также античастиц, таких, как позитрон. Работа Дирака ознаменовала новую эру в теории строения атома.
