Хвильові (польові) властивості частинок

Ідеї ​​про те, що атоми не є неподільними частинками і містять в якості складових частинок елементарні заряди, були вперше висловлені в кінці XIX ст. Термін «електрон» запропонував в 1881 р англійський фізик Джордж стогін. У 1897 р електронна гіпотеза отримала експериментальне підтвердження в дослідженнях Еміля Вихерта і Джозефа Джона Томсона. З цього моменту почалося створення різноманітних електронних моделей атомів і молекул.

Перша модель Томсона припускала, що позитивний заряд рівномірно розосереджений по всьому атому, а в нього, подібно ізюму в булочці, вкраплені електрони.

Невідповідність цієї моделі експериментальним даним стало ясно після проведення в 1906 р досвіду Ернестом Резерфордом, який досліджував процес розсіювання α-частинок атомами. З досвіду був зроблений висновок, що позитивний заряд зосереджений всередині освіти, істотно меншого, ніж розміри атома. Це утворення назвали атомним ядром, розміри якого становили 10-12 см, а розміри атома – 10-8 см. У відповідності з класичними уявленнями електромагнетизму між кожним електроном і ядром повинна діяти кулоновская сила тяжіння. Залежність цієї сили від відстані повинна бути такою ж, як і в законі всесвітнього тяжіння. Отже, рух електронів в атомі має бути подібно до руху планет Сонячної системи. Так народилася планетарна модель атома Резерфорда.

Малий час життя атома і безперервний спектр випромінювання, що прямують з планетарної моделі, показували її неспроможність при описі руху електронів в атомі.

Подальше дослідження стійкості атома дало приголомшливий результат: розрахунки показали, що за час 10-9 с електрон повинен впасти на ядро ​​внаслідок втрати енергії на випромінювання. Крім того, така модель давала безперервні, а не дискретні спектри випромінювання атомів.

Теорію атома БОРА. Наступний важливий крок у розробці теорії атомів був зроблений Нільсом Бором. Найважливішою гіпотезою, висунутою Бором в 1913 р, з’явилася гіпотеза про дискретно будову енергетичних рівнів електрона в атомі. Це положення проілюстровано на енергетичних діаграмах (рис. 21). Традиційно на енергетичних діаграмах енергія відкладається по вертикальній осі.

Відмінність руху тіла в гравітаційному полі (рис. 21, а) від руху електрона в атомі (рис. 21, б) відповідно до гіпотезою Бора полягає в тому, що енергія тіла може безперервно змінюватися, а енергія електрона при негативних значеннях може приймати ряд дискретних значень, зображених на малюнку відрізками блакитного кольору. Ці дискретні значення були названі рівнями енергії або, інакше, енергетичними рівнями.

Звичайно ж, ідея дискретних рівнів енергії була взята з гіпотези Планка. Зміна енергії електрона у відповідності з теорією Бора могло відбуватися тільки стрибком (з одного рівня енергії на іншій). При цих переходах випромінюється (перехід вниз) або поглинається (перехід вгору) квант світла, частота якого визначається з формули Планка hv = Екванта = ΔЕатома, т. Е. Зміна енергії атома пропорційно частоті излученного або поглиненого кванта світла.

Теорія Бора прекрасно пояснювала лінійчатий характер атомних спектрів. Однак на питання про причину дискретності рівнів теорія фактично не давала відповіді.

ХВИЛІ РЕЧОВИНИ. Наступний крок у розвитку теорії мікросвіту був зроблений Луї де Бройля. У 1924 р він висловив припущення про те, що рух мікрочастинок потрібно описувати не як класичне механічний рух, а як деякий хвильовий рух. Саме із законів хвильового руху повинні бути отримані рецепти обчислення різних спостережуваних величин. Так в науці поряд з хвилями електромагнітного поля з’явилися хвилі речовини.

Гіпотеза про хвильовому характері руху частинок була такою ж сміливою, як і гіпотеза Планка про дискретних властивостях поля. Експеримент, прямо підтверджує гіпотезу де Бройля, був поставлений тільки в 1927 р У цьому експерименті спостерігалася дифракція електронів на кристалі, подібно дифракції електромагнітної хвилі.

Теорія Бора була важливим кроком у розумінні законів мікросвіту. У ній вперше було введено положення про дискретних значеннях енергії електрона в атомі, що відповідало досвіду і згодом увійшло в квантову теорію.

Гіпотеза про хвилях речовини дозволяла пояснити дискретну природу енергетичних рівнів. З теорії хвиль було відомо, що обмежена в просторі хвиля завжди має дискретні частоти. Прикладом є хвиля в такому музичному інструменті, як флейта. Частота звучання в цьому випадку визначається розмірами простору, якими обмежена хвиля (розмірами флейти). Виявляється, що це загальна властивість хвиль.

Але відповідно до гіпотезою Планка частоти кванта електромагнітної хвилі пропорційні енергії кванта. Отже, і енергія електрона повинна приймати дискретні значення.

Ідея де Бройля виявилася дуже плідною, хоча, як уже говорилося, прямий експеримент, що підтверджує хвильові властивості електрона, був проведений лише в 1927 р У 1926 р Ервін Шредінгер вивів рівняння, якому повинна підкорятися хвиля електрона, і, вирішивши це рівняння стосовно до атому водню, отримав всі результати, які була здатна дати теорія Бора. Фактично це було початком сучасної теорії, що описує процеси в мікросвіті, оскільки хвильове рівняння легко узагальнювалося для самих різних систем – багатоелектронних атомів, молекул, кристалів.

Розвиток теорії привело до розуміння того, що хвиля, відповідна частці, визначає ймовірність знаходження частинки в даній точці простору. Так у фізику мікросвіту увійшло поняття ймовірності

Згідно нової теорії хвиля, відповідна частці, повністю визначає рух частинки. Але загальні властивості хвиль такі, що хвиля не може бути локалізована в якій-небудь точці простору, т. Е. Безглуздо говорити про координати частинки в даний момент часу. Наслідком цього стало повне виключення з фізики мікросвіту таких понять, як траєкторія руху частинки і електронні орбіти в атомі. Красива і наочна планетарна модель атома, як виявилося, не відповідає реальному руху електронів.

Всі процеси в мікросвіті мають імовірнісний характер. Шляхом розрахунків може бути визначена тільки ймовірність протікання того чи іншого процесу

На закінчення повернемося до епіграфа. Гіпотези про хвилях речовини і кванти поля здавалися нісенітницею багатьом фізикам, вихованим на традиціях класичної фізики. Справа в тому, що ці гіпотези позбавлені звичної наочності, яку ми маємо, виробляючи спостереження в макросвіті. Проте подальший розвиток науки про мікросвіт призвело до таких уявленням, що … (див. Епіграф до параграфу).

Яким досвідченим фактам суперечила модель атома Томсона?
Що з моделі атома Бора залишилося в сучасній теорії і що було відкинуто?
Які ідеї сприяли висуненню де Бройлем гіпотези про хвилях речовини?

Посилання на основну публікацію