ВЕЛИКИЙ ДАТЧАНИН. АТОМ БОРА

Знаете, химики очень странно считают. Вместо того чтобы говорить: «Один, два, три, четыре, пять протонов», они говорят: «Водород, гелий, литий, бериллий, бор».

Ричард Фейнман

В наше время многие люди по-прежнему представляют себе атом как миниатюрную Солнечную систему: электроны вращаются по орбитам вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Картина получается довольно правдоподобной. В Солнечной системе сила притяжения удерживает движущиеся планеты на их эллиптических орбитах вокруг массивного Солнца. Солнце является источником центростремительной силы, необходимой для орбитального движения. Первоначально предполагалось, что на атомном уровне возникает схожая ситуация: электростатическая сила притяжения, действующая между электронами, имеющими отрицательные электрические заряды, и положительно заряженными протонами, находящимися в ядре, должна производить такой же эффект.

 

Схема орбит электронов и квантовых уровней энергии в атоме водорода. Из нобелевской лекции Нильса Бора (1922)

Увы, такая модель оказалась несостоятельной. Электроны, вращающиеся вокруг ядра, ускоряются, постоянно меняя в процессе вращения направление движения, а заряды, движущиеся с ускорением, излучают энергию. Если бы атом был подобен Солнечной системе, электроны очень быстро растрачивали бы всю свою энергию и по спирали падали бы на ядро. И даже если бы удалось устранить такое противоречие данной модели, возникает другая неудобная проблема: каждый атом должен был бы отличаться от других. Возьмем один протон и один электрон. Из них может образоваться атом водорода. Но электрон может двигаться вокруг протона по любому радиусу с любой скоростью. На практике это бы означало, что при случайном формировании атомов водорода электроны оказывались бы на разном расстоянии от протона и в разных атомах двигались бы с разной скоростью, то есть все атомы водорода были бы разными. В мире не было бы ни повторяемости, ни стабильности. Даже если бы изначально все атомы обладали одинаковыми размером и энергией, они постепенно становились бы непохожими, так как со всеми атомами происходили бы разные пертурбации от столкновения с другими частицами и лучами света.

Для решения этой глубокой проблемы мироздания потребовалась смелая и блестящая идея, которая навсегда изменила природу физики, – представление о кванте.

 

Записки Бора, сделанные в 1921 году и посвященные расположению электронов на квантованных орбитах вокруг ядра атома. Вверху справа находится рамка, озаглавленная «Периодическая система». С этого рисунка начинается путь к полному пониманию периодической таблицы химических элементов

В 1900 году Макс Планк предположил, что изменения энергии не могут иметь произвольную величину. Должно существовать минимальное возможное изменение энергии (квант), и любые изменения энергии должны быть равны определенному целому количеству квантов. Эта простая, но радикальная идея позволила Планку дать красивое объяснение природы теплового излучения, из которого следовало новое понимание взаимодействия между светом и материей.

Следующий шаг в разработке квантовой гипотезы совершил в 1913 году молодой датский физик Нильс Бор. Развивая идею Планка, Бор отказался от концепции атома как миниатюрной Солнечной системы и предложил собственную модель, основанную на гипотезе, что энергия атома может изменяться лишь на целое число квантов. Это позволило спрогнозировать длины волн света, излучаемых, когда электроны перемещаются с высоких энергетических уровней на низкие. Гипотеза Бора полностью подтвердилась в ходе наблюдений за настоящими атомами. Кроме того, эта гипотеза подсказала красивое решение проблемы, связанной со стабильностью вещества. Если один электрон начинал вращаться по орбите вокруг одного протона, удерживаемый электростатической силой притяжения между противоположными электрическими зарядами, то энергия орбиты могла принимать лишь строго определенные значения, кратные базовому кванту энергии, и электрон мог двигаться лишь по одной возможной орбите, ближайшей к протону. Попав на эту орбиту, электрон ничего не излучал и не мог медленно менять свою энергию и орбитальный радиус под воздействием падающих на атом волн излучения. Чтобы изменить свою энергию, электрон должен получить целое число квантов, после чего он перемещается на другую разрешенную орбиту, более удаленную от ядра, соответствующую новому количеству энергии, либо вообще покидает атом, оставив его с положительным зарядом (в ионизированном состоянии). В результате квантование энергии оказывалось основой стабильности всей материи и повторяемости тех атомных и молекулярных свойств, которые обеспечивают возможность нашего существования.

 

Записки Бора, сделанные в 1921 году и посвященные расположению электронов на квантованных орбитах вокруг ядра атома. Вверху справа находится рамка, озаглавленная «Периодическая система». С этого рисунка начинается путь к полному пониманию периодической таблицы химических элементов

Если количество квантов энергии, излучаемых, когда электрон приходит в атом извне, чтобы закрепиться на орбите вокруг атомного ядра, обозначить как п, то допустимые стабильные орбиты, на которых может оказаться электрон, будут обозначаться п = 1 (ближайшая к ядру), 2, 3 и так далее. Если электрон переходит с удаленной орбиты (с большим взаимодействия между светом и материей. Универсальное применение этой идеи было рассмотрено в главе «Самое пекло. Спектр КОБЕ» в первой части книги.

Следующий шаг в разработке квантовой гипотезы совершил в 1913 году молодой датский физик Нильс Бор. Развивая идею Планка, Бор отказался от концепции атома как миниатюрной Солнечной системы и предложил собственную модель, основанную на гипотезе, что энергия атома может изменяться лишь на целое число квантов. Это позволило спрогнозировать длины волн света, излучаемых, когда электроны перемещаются с высоких энергетических уровней на низкие. Гипотеза Бора полностью подтвердилась в ходе наблюдений за настоящими атомами. Кроме того, эта гипотеза подсказала красивое решение проблемы, связанной со стабильностью вещества. Если один электрон начинал вращаться по орбите вокруг одного протона, удерживаемый электростатической силой притяжения между противоположными электрическими зарядами, то энергия орбиты могла принимать лишь строго определенные значения, кратные базовому кванту энергии, и электрон мог двигаться лишь по одной возможной орбите, ближайшей к протону. Попав на эту орбиту, электрон ничего не излучал и не мог медленно менять свою энергию и орбитальный радиус под воздействием падающих на атом волн излучения. Чтобы изменить свою энергию, электрон должен получить целое число квантов, после чего он перемещается на другую разрешенную орбиту, более удаленную от ядра, соответствующую новому количеству энергии, либо вообще покидает атом, оставив его с положительным зарядом (в ионизированном состоянии). В результате квантование энергии оказывалось основой стабильности всей материи и повторяемости тех атомных и молекулярных свойств, которые обеспечивают возможность нашего существования.

Если количество квантов энергии, излучаемых, когда электрон приходит в атом извне, чтобы закрепиться на орбите вокруг атомного ядра, обозначить как п, то допустимые стабильные орбиты, на которых может оказаться электрон, будут обозначаться п = 1 (ближайшая к ядру), 2, 3 и так далее. Если электрон переходит с удаленной орбиты (с большим значением п) на более близкую к ядру (с меньшим значением п), то можно рассчитать изменение радиуса орбиты вместе с изменением общей энергии, необходимым для изменения орбиты. При таких изменениях высвобождается некоторое количество энергии, поэтому при переходе электрона на орбиту более низкого энергетического уровня атом излучает свет. Таким образом может быть составлена диаграмма энергетических уровней, на которой фиксируются все переходы с орбит с квантовыми номерами п = 2,3,4,5 и так далее, на самый нижний энергетический уровень (также называемый основным состоянием) с квантовым номером п = 1, названные серией Лаймана по имени американского физика Теодора Лаймана (1874-1954). Переход электронов с уровней 3, 4, 5, … на уровень п = 2 получил название серии Бальмера в честь швейцарского ученого Иоганна Бальмера (1825-1898); с орбит уровней 4, 5, … на уровень п = 3 – серия Пашена в честь немца Фридриха Пашена (1865-1947). Переходы с орбит 5, 6, … на уровень п = 4 – это серия Брэкетта, названная по имени американца Фредерика Брэкетта (1896-1980). И наконец, серия Пфунда – переход с орбит 6, 7, … на энергетический уровень п = 5 (в честь американца Августа Пфунда (1879-1949)).

Стройную модель атома водорода, предложенную Бором, можно было дополнять для описания любых типов атомов. Она стала основой для изображения, на котором показана схема переходов между квантованными внешними и внутренними орбитами (орбитами Бора), соответствующих различным спектральным сериям.

 

Когда электроны перемещаются с одной квантованной орбиты на другую с более низким уровнем энергии, излучается свет. Серии переходов, заканчивающихся на каждой электронной орбите, названы в честь физиков Лаймана, Бальмера, Пашена, Брэкетта и Пфунда. Показаны только шесть энергетических уровней