Раздел III. КВАНТОВАНИЕ В АТОМНЫХ СИСТЕМАХ

§ 8. Атомная спектроскопия и трудности классической модели Резерфорда

В предшествующем разделе мы познакомились с теми глубокими потрясениями классической теории света, которые были вызваны открытием нарушений непрерывности в механизме взаимодействия между веществом и излучением. Однако дело не ограничилось теорией света, не меньшие потрясения претерпела классическая корпускулярная теория вещества. Это становится очевидным, если пытаться согласовать между собой данные атомной спектроскопии и результаты, касающиеся структуры атома, полученные Резерфордом.

Одним из наиболее выдающихся фактов, обнаруженных в результате усовершенствования техники исследования спектров испускания и поглощения света веществом, явилось существование узких спектральных линий. Частоты испускаемого и поглощаемого излучения зависят от сорта изучаемых атомов; для атомов одного сорта спектры поглощения и излучения одинаковы. Каждый атом может быть идентифицирован по спектру; спектр дает важнейшую информацию относительно строения атома и механизма его взаимодействия с излучением.

Особого внимания заслуживает атом водорода, так как он является простейшим примером атомной системы (один протон + один электрон); все наблюдаемые частоты для атома водорода подчиняются эмпирической формуле Бальмера

причем положительные целые числа есть некоторая характеристическая постоянная (постоянная Ридберга).

Для более сложных атомов не существует столь простых формул, однако каждый раз мы обнар/живаем некоторую корреляцию между различными наблюдаемыми частотами: если две частоты входят в состав одного спектра, то их сумма или их разность также довольно часто входят в состав того же спектра. Точнее говоря, каждому атому можно сопоставить некоторую таблицу чисел, или спектральных термов, причем все наблюдаемые частоты излучения выражаются в виде разностей между какими-либо двумя термами. Это правило, частным случаем которого и является формула Бальмера, называется комбинационным правилом Ридберга — Ритца (1905 г.). Отметим, что не все разности термов обязательно проявляются как частоты, наблюдаемые в спектре, однако можно формулировать достаточно простые правила отбора, позволяющие отличать разности термов, фигурирующие в спектре, от тех, которые не присутствуют в спектре атома.

Эти экспериментальные факты находятся в явном противоречии с классической теорией атома Резерфорда; более того, сама модель атома Резерфорда сталкивается с серьезными противоречиями, если помимо кулоновского взаимодействия учесть более строгим образом взаимодействие атомных электронов с электромагнитным полем согласно электронной теории Лоренца. Двигаясь по своим орбитам, электроны должны излучать и, следовательно, терять свою кинетическую энергию, что неизбежно должно привести к их падению на ядро атома. В каждый момент времени наблюдаемые частоты излучения должны соответствовать частотам движения по орбите или более высоким их гармоникам. Но поскольку частота движения по орбите изменяется при торможении непрерывно, должно иметь место излучение с непрерывным спектром частот. Классическая теория атома Резерфорда не объясняет, следовательно, ни устойчивости атомов, ни существования линейчатых спектров излучения. Мы имеем дело с новым проявлением дискретности или прерывности во взаимодействии между веществом и излучением, там где классическая теория предсказывает непрерывное изменение.