Недостатки теории Бора указывали на необходимость пересмотра основ квантовой теории и представлений о природе микрочастиц (электронов, протонов и т.п.). Возник вопрос о том, насколько исчерпывающим является представление электрона в виде малой механической частицы, характеризующейся определенными координатами и определенной скоростью.
Мы уже знаем, что в оптических явлениях наблюдается своеобразный дуализм. Наряду с явлениями дифракции, интерференции (волновыми явлениями) наблюдаются и явления, характеризующие корпускулярную природу света (фотоэффект, эффект Комптона).
В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что дуализм не является особенностью только оптических явлений , а имеет универсальный характер. Частицы вещества также обладают волновыми свойствами .
«В оптике, – писал Луи де Бройль, – в течение столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым; не делалась ли в теории вещества обратная ошибка?» Допуская, что частицы вещества наряду с корпускулярными свойствами имеют также и волновые, де Бройль перенес на случай частиц вещества те же правила перехода от одной картины к другой, какие справедливы в случае света.
Если фотон обладает энергией и импульсом , то и частица (например электрон), движущаяся с некоторой скоростью, обладает волновыми свойствами, т.е. движение частицы можно рассматривать как движение волны.
Согласно квантовой механике, свободное движение частицы с массой m и импульсом (где υ – скорость частицы) можно представить как плоскую монохроматическую волну (волну де Бройля ) с длиной волны
| (3.1.1) |
распространяющуюся в том же направлении (например в направлении оси х ), в котором движется частица (рис. 3.1).
Зависимость волновой функции от координаты х даётся формулой
| , | (3.1.2) |
где – волновое число ,а волновой вектор направлен в сторону распространения волны или вдоль движения частицы:
| . | (3.1.3) |
Таким образом, волновой вектор монохроматической волны , связанной со свободно движущейся микрочастицей, пропорционален её импульсу или обратно пропорционален длине волны .
Поскольку кинетическая энергия сравнительно медленно движущейся частицы , то длину волны можно выразить и через энергию:
| . | (3.1.4) |
При взаимодействии частицы с некоторым объектом – с кристаллом, молекулой и т.п. – её энергия меняется: к ней добавляется потенциальная энергия этого взаимодействия, что приводит к изменению движения частицы. Соответственно, меняется характер распространения связанной с частицей волны, причём это происходит согласно принципам, общим для всех волновых явлений. Поэтому основные геометрические закономерности дифракции частиц ничем не отличаются от закономерностей дифракции любых волн. Общим условием дифракции волн любой природы является соизмеримость длины падающей волны λ с расстоянием d между рассеивающими центрами : .
Гипотеза Луи де Бройля была революционной, даже для того революционного в науке времени. Однако, она вскоре была подтверждена многими экспериментами.
Свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Волновые свойства проявляются при распространении света (интерференция, дифракция). Корпускулярные свойства проявляются при взаимодействии света с веществом (фотоэффект, излучение и поглощение света атомами).
Свойства фотона как частицы (энергия Е и импульс p) связаны с его волновыми свойствами (частотой ν и длиной волны λ) соотношениями
; , (19)
где h=6,63×10 -34 Дж - постоянная Планка.
Пытаясь преодолеть трудности боровской модели атома, французский физик Луи де Бройль в 1924 г. выдвинул гипотезу, что сочетание волновых и корпускулярных свойств присуще не только свету, но и любому материальному телу. То есть частицы вещества (например, электроны) обладают волновыми свойствами. высказал предположение, Согласно де Бройлю каждому телу массой m, движущемуся со скоростью υ, соответствует волновой процесс с длиной волны
Наиболее ярко волновые свойства проявляются у микрообъектов (элементарных частиц). Вследствие малой массы длина волны де Бройля оказывается сравнимой с межатомным расстоянием в кристаллах. В этих условиях при взаимодействии пучка частиц с кристаллической решеткой возникают дифракционные явления. Электронам с энергией 150 эВ соответствует длина волны λ»10 -10 м . Такого же порядка межатомные расстояния в кристаллах. Если пучок таких электронов направить на кристалл, то они будут рассеиваться по законам дифракции. Зафиксированная на фотопленке дифракционная картина (электронограмма) содержит информацию о строении трехмерной кристаллической решетки.
Рисунок 6 Иллюстрация волновых свойств вещества
Для иллюстрации волновых свойств частиц часто используют мысленный эксперимент - прохождение пучка электронов (или других частиц) через щель шириной Δх. С точки зрения волновой теории после дифракции на щели пучок будет уширяться с угловой расходимостью θ»λ/Δх. С корпускулярной точки зрения уширение пучка после прохождения щели объясняется появлением у частиц некоторого поперечного импульса. Разброс значений этого поперечного импульса ("неопределенность") есть
(21)
Соотношение (22)
носит название соотношения неопределенностей. Это соотношение на корпускулярном языке отражает наличие волновых свойств у частиц.
Эксперимент по прохождению пучка электронов через две близко расположенные щели может служить еще более яркой иллюстрацией волновых свойств частиц. Этот эксперимент является аналогом оптического интерференционного опыта Юнга.
4. 10 Квантовая модель атома Экспериментальные факты (дифракция электронов, эффект Комптона, фотоэффект и многие другие) и теоретические модели, вроде боровской модели атома, с определенностью свидетельствуют, что законы классической физики становятся неприменимыми для описания поведения атомов и молекул и их взаимодействия со светом. В течение десятилетия между 1920-м и 1930-м гг. ряд выдающихся физиков ХХ в. (де Бройль, Гейзенберг, Борн, Шредингер, Бор, Паули и др.) занимался построением теории, которая могла бы адекватно описать явления микромира. В результате родилась квантовая механика, ставшая основой всех современных теорий строения вещества, можно сказать, основой (вместе с теорией относительности) физики ХХ в.
Законы квантовой механики применимы в микромире, в то же время мы с вами являемся макроскопическими объектами и живем в макромире, управляющимся совершенно иными, классическими законами. Поэтому неудивительно, что многие положения квантовой механики не могут быть проверены нами непосредственно и воспринимаются как странные, невозможные, непривычные. Тем не менее, квантовая механика является, наверное, самой подтвержденной на опыте теорией, так как следствия расчетов, выполненных по законам этой теории, используются практически во всем, что нас окружает, и стали частью человеческой цивилизации (достаточно упомянуть о тех полупроводниковых элементах, работа которых в данный момент позволяют читателю видеть текст на экране монитора, покрытие которого, кстати, также рассчитано с помощью квантовой механики).
К сожалению, используемый квантовой механикой математический аппарат довольно сложен и идеи квантовой механики могут быть изложены лишь словесно и поэтому недостаточно убедительно. С учетом этого замечания попытаемся дать хоть какое-то представление об этих идеях.
Основным понятием квантовой механики является понятие квантового состояния какого-то микрообъекта, или микросистемы (это может быть отдельная частица, атом, молекула, совокупность атомов и т.п.).
Квантовая модель атома отличается от планетарной в первую очередь тем, что в ней электрон не имеет точно определенной координаты и скорости, поэтому бессмысленно говорить о траектории его движения. Можно определить (и нарисовать) только границы области его преимущественного движения (орбитали).
Состояние какого-то микрообъекта, или микросистемы (это может быть отдельная частица, атом, молекула, совокупность атомов и т.п.) может быть охарактеризовано заданием квантовых чисел: значений энергии, импульса, момента импульса, проекции этого момента импульса на какую-то ось, заряда и т.п.
УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА для движения электрона в кулоновском поле ядра атома водорода используется для анализа квантовой модели атома. В результате решения этого уравнения получается волновая функция, которая зависит не только от координаты и времени t, но и от 4-х параметров, имеющих дискретный набор значений и называемых квантовыми числами. Они имеют названия: главное, азимутальное, магнитное и магнитное спиновое.
Главное квантовое число n может принимать целочисленные значения 1, 2, ... . Оно определяет величину энергии электрона в атоме
Где Е i - энергия ионизации атома водорода (13,6 эВ).
АЗИМУТАЛЬНОЕ (ОРБИТАЛЬНОЕ) квантовое число l
определяет модуль момента импульса электрона при его орбитальном движении 
(24)
где s – спиновое квантовое число, которое у каждой частицы имеет только одно значение. Например, для электрона s = (аналогично, для протона и нейтрона). Для фотона s = 1.
Вырожденными называются состояния электрона с одинаковой энергией.
КРАТНОСТЬ ВЫРОЖДЕНИЯ равна количеству состояний с одной и той же энергией.
КРАТКАЯ запись состояния электрона в атоме: ЦИФРА , равная главному квантовому числу, и буква, определяющая азимутальное квантовое число:
Таблица 1 Краткая запись состояния электрона в атоме
Вы, конечно, можете называть это чушью,
но я-то встречала чушь такую, что в
сравнении с ней эта кажется толковым
словарем.
Л. Кэрролл
Что такое планетарная модель атома и в чем ее недостаток? В чем суть модели атома Бора? В чем заключается гипотеза о волновых свойствах частиц? Какие предсказания дает эта гипотеза о свойствах микромира?
Урок-лекция
КЛАССИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АТОМА И ИХ НЕДОСТАТКИ . Идеи о том, что атомы не являются неделимыми частицами и содержат в качестве составляющих частиц элементарные заряды, были впервые высказаны в конце XIX в. Термин «электрон» предложил в 1881 г. английский физик Джордж Стоней. В 1897 г. электронная гипотеза получила экспериментальное подтверждение в исследованиях Эмиля Вихерта и Джозефа Джона Томсона. С этого момента началось создание разнообразных электронных моделей атомов и молекул.
Первая модель Томсона предполагала, что положительный заряд равномерно рассредоточен по всему атому, а в него, подобно изюму в булочке, вкраплены электроны.
Несоответствие этой модели экспериментальным данным стало ясно после проведения в 1906 г. опыта Эрнестом Резерфордом, который исследовал процесс рассеяния α-частиц атомами. Из опыта был сделан вывод, что положительный заряд сосредоточен внутри образования, существенно меньшего, чем размеры атома. Это образование назвали атомным ядром, размеры которого составляли 10 -12 см, а размеры атома - 10 -8 см. В соответствии с классическими представлениями электромагнетизма между каждым электроном и ядром должна действовать кулоновская сила притяжения. Зависимость этой силы от расстояния должна быть такой же, как и в законе всемирного тяготения. Следовательно, движение электронов в атоме должно быть подобно движению планет Солнечной системы. Так родилась планетарная модель атома Резерфорда.
Малое время жизни атома и непрерывный спектр излучения, следующие из планетарной модели, показывали ее несостоятельность при описании движения электронов в атоме.
Дальнейшее исследование устойчивости атома дало ошеломляющий результат: расчеты показали, что за время 10 -9 с электрон должен упасть на ядро вследствие потери энергии на излучение. Кроме того, такая модель давала непрерывные, а не дискретные спектры излучения атомов.
ТЕОРИЯ АТОМА БОРА . Следующий важный шаг в разработке теории атомов был сделан Нильсом Бором. Важнейшей гипотезой, выдвинутой Бором в 1913 г., явилась гипотеза о дискретном строении энергетических уровней электрона в атоме. Это положение проиллюстрировано на энергетических диаграммах (рис. 21). Традиционно на энергетических диаграммах энергия откладывается по вертикальной оси.
Рис. 21 Энергия спутника в поле тяготения Земли (а); энергия электрона в атоме (б)
Отличие движения тела в гравитационном поле (рис. 21, а) от движения электрона в атоме (рис. 21, б) в соответствии с гипотезой Бора состоит в том, что энергия тела может непрерывно изменяться, а энергия электрона при отрицательных значениях может принимать ряд дискретных значений, изображенных на рисунке отрезками голубого цвета. Эти дискретные значения были названы уровнями энергии или, иначе, энергетическими уровнями.
Конечно же, идея дискретных уровней энергии была взята из гипотезы Планка. Изменение энергии электрона в соответствии с теорией Бора могло происходить только скачком (с одного уровня энергии на другой). При этих переходах излучается (переход вниз) или поглощается (переход вверх) квант света, частота которого определяется из формулы Планка hv = Е кванта = ΔЕ атома, т. е. изменение энергии атома пропорционально частоте излученного или поглощенного кванта света.
Теория Бора прекрасно объясняла линейчатый характер атомных спектров. Однако на вопрос о причине дискретности уровней теория фактически не давала ответа.
ВОЛНЫ ВЕЩЕСТВА . Следующий шаг в развитии теории микромира был сделан Луи де Бройлем. В 1924 г. он высказал предположение о том, что движение микрочастиц нужно описывать не как классическое механическое движение, а как некоторое волновое движение. Именно из законов волнового движения должны быть получены рецепты вычисления различных наблюдаемых величин. Так в науке наряду с волнами электромагнитного поля появились волны вещества.
Гипотеза о волновом характере движения частиц была такой же смелой, как и гипотеза Планка о дискретных свойствах поля. Эксперимент, прямо подтверждающий гипотезу де Бройля, был поставлен только в 1927 г. В этом эксперименте наблюдалась дифракция электронов на кристалле, подобно дифракции электромагнитной волны.
Теория Бора была важным шагом в понимании законов микромира. В ней впервые было введено положение о дискретных значениях энергии электрона в атоме, что соответствовало опыту и впоследствии вошло в квантовую теорию.
Гипотеза о волнах вещества позволяла объяснить дискретную природу энергетических уровней. Из теории волн было известно, что ограниченная в пространстве волна всегда имеет дискретные частоты. Примером является волна в таком музыкальном инструменте, как флейта. Частота звучания в этом случае определяется размерами пространства, которыми ограничена волна (размерами флейты). Оказывается, что это общее свойство волн.
Но в соответствии с гипотезой Планка частоты кванта электромагнитной волны пропорциональны энергии кванта. Следовательно, и энергия электрона должна принимать дискретные значения.
Идея де Бройля оказалась очень плодотворной, хотя, как уже говорилось, прямой эксперимент, подтверждающий волновые свойства электрона, был проведен лишь в 1927 г. В 1926 г. Эрвин Шредингер вывел уравнение, которому должна подчиняться волна электрона, и, решив это уравнение применительно к атому водорода, получил все результаты, которые была способна дать теория Бора. Фактически это было началом современной теории, описывающей процессы в микромире, поскольку волновое уравнение легко обобщалось для самых разных систем - многоэлектронных атомов, молекул, кристаллов.
Развитие теории привело к пониманию того, что волна, соответствующая частице, определяет вероятность нахождения частицы в данной точке пространства. Так в физику микромира вошло понятие вероятности
Согласно новой теории волна, соответствующая частице, полностью определяет движение частицы. Но общие свойства волн таковы, что волна не может быть локализована в какой-либо точке пространства, т. е. бессмысленно говорить о координатах частицы в данный момент времени. Следствием этого явилось полное исключение из физики микромира таких понятий, как траектория движения частицы и электронные орбиты в атоме. Красивая и наглядная планетарная модель атома, как оказалось, не соответствует реальному движению электронов.
Все процессы в микромире имеют вероятностный характер. Путем расчетов может быть определена только вероятность протекания того или иного процесса
В заключение вернемся к эпиграфу. Гипотезы о волнах вещества и квантах поля казались чушью многим физикам, воспитанным на традициях классической физики. Дело в том, что эти гипотезы лишены привычной наглядности, которую мы имеем, производя наблюдения в макромире. Однако последующее развитие науки о микромире привело к таким представлениям, что... (см. эпиграф к параграфу).
- Каким опытным фактам противоречила модель атома Томсона?
- Что из модели атома Бора осталось в современной теории и что было отброшено?
- Какие идеи способствовали выдвижению де Бройлем гипотезы о волнах вещества?
ННАЯ ОБОЛОЧКА АТОМА ХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА
§ 1. ИСХОДНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
Теория строения атома основана на законах, описывающих движение микрочастиц (электронов, атомов, молекул) и их систем (например, кристаллов). Массы и размеры микрочастиц чрезвычайно малы по сравнению с массами и размерами макроскопических тел. Поэтому свойства и закономерности движения отдельной микрочастицы качественно отличаются от свойств и закономерностей движения макроскопического тела, изучаемых классической физикой. Движение и взаимодействия микрочастиц описывает квантовая (или волновая) механики. Она основывается на представлении о квантовании энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов.
Квантовый характер излучения а поглощения энергии. Примерно в начале XX в. исследования ряда явлений (излучений раскаленных тел, фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия распространяется и передается, поглощается и испускается не непре-16 рывно, а дискретно, отдельными порциями - квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать только определенные значения, которые являются кратными числами квантов.
Предположение о квантовой энергии впервые было высказано М. Планком (1900) и позже обосновано А. Эйнштейном (1905). Энергия кванта? зависит от частоты излучения v:
где h - постоянная Планка }