2. Основы теории строения атома

2.1. Предпосылки возникновения квантово-механической теории

Квантово-механическая теория строения вещества является фундаментальной научной концепцией современного естествознания, открывающей принципиально новые подходы к изучению мира микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул и надмолекулярных структур), закономерности которого не могут быть выведены из законов макромира, описываемого классической физикой. Квантовая механика в своей основе сформировалась в 1924-27 годах, однако некоторые предпосылки, послужившие отправной точкой для этой теории, относятся к началу XX века.

Первой предпосылкой возникновения квантово-механической теории следует считать квантовую теорию электромагнитного излучения. В 1900 г М. Планк, изучая спектр абсолютно черного тела, сформулировал основное положение этой теории следующим образом:

- лучистая энергия испускается и поглощается дискретно в виде целого числа квантов энергии;

- энергия кванта определяется частотой излучения и может быть рассчитана по уравнению Планка

E = h (2-1)

где h - постоянная Планка (6,62510^-34 Джс),  - частота излучения.

Следующей предпосылкой рассматриваемой теории явилось объяснение закономерностей фотоэффекта - испускания электронов при облучении поверхности металла светом. Экспериментально было установлено, что кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты излучения, но не зависит от его интенсивности (от интенсивности излучения зависит только число электронов, т.е. сила фототока), хотя в рамках классической электромагнитной теории света энергия фотоэлектронов должна меняться с изменением интенсивности падающего света и не должна зависеть от частоты излучения. А. Эйнштейн (1905) показал, что это противоречие можно устранить, если принять, что свет имеет двойственную природу, являясь одновременно пакетом электромагнитных волн, энергия которых описывается уравнением Планка (2-1), и потоком фотонов - частиц с нулевой массой покоя. В этом случае кинетическая энергия фотоэлектрона будет определяться следующим соотношением:

Е_к = Е_ф – А

где Е_ф - энергия фотона, А - работа, которую необходимо затратить на удаление электрона из металла (работа выхода).

С учетом уравнения (2-1)

Е_к = h - А

то есть энергия фотоэлектронов зависит от частоты излучения и не зависит от его интенсивности.

Третьей предпосылкой квантовой механики является ядерная (планетарная) модель атома, предложенная Э. Резерфордом (1911), в соответствии с которой атом представляет систему из положительно заряженного ядра и связанных с ним электронов. Хотя от "планетарного" характера движения электронов вокруг ядра позже пришлось отказаться (подобное движение электрона должно было сопровождаться непрерывным излучением энергии, следствием чего было бы непрерывное уменьшение радиуса электронной орбиты и в конечном итоге падение электрона на ядро), ядерная модель атома остается общепризнанной.

В 1913 г. Н. Бор показал, что устойчивость атома водорода и происхождение линий в его спектре могут быть объяснены, если допустить, что разрешенные значения энергии электрона меняются дискретно, а энергетическим уровням отвечают стационарные орбиты определенного радиуса, пребывая на которых электрон не поглощает и не излучает энергию. Теория Бора позволила с высочайшей степенью точности рассчитать атомный спектр водорода, однако распространить ее на другие атомы не удалось. Таким образом к началу двадцатых годов XX века необходимость в новом подходе к описанию объектов микромира стала очевидной.