Дълго време структурата на атома беше дискусионна тема сред физиците, докато не се появи модел, създаден от датския учен Нилс Бор. Той не беше първият, който се опита да опише движението на субатомните частици, но именно неговите разработки направиха възможно създаването на последователна теория със способността да се предскаже местоположението на елементарна частица в един или друг момент.
Пътят на живота
Нилс Бор е роден на 7 октомври 1885 г. в Копенхаген и умира там на 18 ноември 1962 г. Той се смята за един от най-великите физици и нищо чудно: именно той успя да изгради последователен модел на водородни атоми. Според легендата той видял насън как нещо като планети се върти около определен светещ разреден център. След това тази система драстично се сви до микроскопичен размер.
Оттогава Бор усилено търси начин да преведе мечтата във формули и таблици. Чрез внимателно изучаване на съвременната литература по физика, експериментиране в лаборатория и мислене, той успява да постигне своетоцели. Дори вродената срамежливост не му попречи да публикува резултатите: той се смути да говори пред голяма публика, започна да се обърква и публиката не разбра нищо от обясненията на учения.
Прекурсори
Преди Бор учените се опитаха да създадат модел на атома въз основа на постулатите на класическата физика. Най-успешният опит принадлежи на Ърнест Ръдърфорд. В резултат на многобройни експерименти той стига до заключението за съществуването на масивно атомно ядро, около което електроните се движат по орбити. Тъй като графично такъв модел е подобен на структурата на Слънчевата система, името на планетарната е засилено зад него.
Но имаше значителен недостатък: атомът, съответстващ на уравненията на Ръдърфорд, се оказа нестабилен. Рано или късно електроните, движещи се с ускорение по орбити около ядрото, трябваше да паднат върху ядрото и енергията им щеше да се изразходва за електромагнитно излъчване. За Бор моделът на Ръдърфорд стана отправна точка в изграждането на собствената му теория.
Първият постулат на Бор
Основната иновация на Бор беше отхвърлянето на използването на класическата нютонова физика при изграждането на теорията на атома. След като проучи данните, получени в лабораторията, той стигна до заключението, че такъв важен закон на електродинамиката като равномерно ускорено движение без вълново излъчване не работи в света на елементарните частици.
Резултатът от разсъжденията му беше закон, който звучи така: атомната система е стабилна само ако е в една от възможните неподвижни(квантови) състояния, всяко от които отговаря на определена енергия. Смисълът на този закон, наричан иначе постулат на квантовите състояния, е да признае липсата на електромагнитно излъчване, когато един атом е в такова състояние. Също така, следствие от първия постулат е признаването на наличието на енергийни нива в атома.
Правило за честота
Въпреки това беше очевидно, че един атом не може винаги да бъде в едно и също квантово състояние, тъй като стабилността отрича всяко взаимодействие, което означава, че няма да има нито Вселената, нито движение в него. Очевидното противоречие беше разрешено от втория постулат на модела на атомната структура на Бор, известен като правилото за честотата. Атомът е в състояние да се движи от едно квантово състояние в друго със съответната промяна в енергията, излъчвайки или поглъщайки квант, чиято енергия е равна на разликата между енергиите на стационарните състояния.
Вторият постулат също противоречи на класическата електродинамика. Според теорията на Максуел естеството на движението на електрона не може да повлияе на честотата на неговото излъчване.
Атомен спектър
Квантовият модел на Бор стана възможен чрез внимателно изследване на спектъра на атома. Дълго време учените се смущаваха, че вместо очакваната непрекъсната цветова област, получена чрез изследване на спектрите на небесните тела, спектрограмата на атома е прекъсната. Ярките линии не се преливат една в друга, а са разделени от впечатляващи тъмни зони.
Теория на прехода на електрон от едно квантово състояние къмдруг обясни тази странност. Когато един електрон се движи от едно енергийно ниво на друго, където се изисква по-малко енергия от него, той излъчва квант, който се отразява в спектрограмата. Теорията на Бор веднага демонстрира способността да се предскажат по-нататъшни промени в спектрите на прости атоми като водород.
Недостатъци
Теорията на Бор не скъса напълно с класическата физика. Тя все още запази идеята за орбиталното движение на електроните в електромагнитното поле на ядрото. Идеята за квантуване по време на прехода от едно стационарно състояние към друго успешно допълва планетарния модел, но все още не разрешава всички противоречия.
Въпреки че в светлината на модела на Бор електронът не може да премине в спираловидно движение и да падне в ядрото, непрекъснато излъчвайки енергия, остава неясно защо не може последователно да се издигне до по-високи енергийни нива. В този случай всички електрони рано или късно биха се озовали в най-ниско енергийно състояние, което би довело до разрушаване на атома. Друг проблем са аномалиите в атомните спектри, които теорията не обяснява. През далечната 1896 г. Питър Зееман провежда любопитен експеримент. Той постави атомен газ в магнитно поле и направи спектрограма. Оказа се, че някои спектрални линии се разделят на няколко. Такъв ефект не е обяснен в теорията на Бор.
Изграждане на модел на водородния атом според Бор
Въпреки всички недостатъци на своята теория, Нилс Бор успя да изгради реалистичен модел на водородния атом. При това той използва правилото за честотата и законите на класическата музикамеханика. Изчисленията на Бор за определяне на възможните радиуси на електронните орбити и изчисляване на енергията на квантовите състояния се оказаха доста точни и бяха потвърдени експериментално. Честотите на излъчване и поглъщане на електромагнитни вълни съответстват на местоположението на тъмните празнини на спектрограмите.
Така, използвайки примера на водородния атом, беше доказано, че всеки атом е квантова система с дискретни енергийни нива. Освен това ученият успя да намери начин да комбинира класическата физика и своите постулати, използвайки принципа на съответствието. В него се посочва, че квантовата механика включва законите на Нютоновата физика. При определени условия (например, ако квантовото число е достатъчно голямо), квантовата и класическата механика се сближават. Това се доказва от факта, че с увеличаване на квантовото число, дължината на тъмните празнини в спектъра намалява до пълно изчезване, както се очаква в светлината на нютоновите концепции.
Значение
Въвеждането на принципа на съответствието се превърна във важна междинна стъпка към признаването на съществуването на специална квантова механика. Моделът на атома на Бор се превърна за мнозина в отправна точка при изграждането на по-точни теории за движението на субатомните частици. Нилс Бор не успя да намери точна физическа интерпретация на правилото за квантуване, но не може да направи и това, тъй като вълновите свойства на елементарните частици са открити само с времето. Луи дьо Бройл, допълвайки теорията на Бор с нови открития, доказа, че всяка орбита, споредкоято електронът движи е вълна, разпространяваща се от ядрото. От тази гледна точка стационарното състояние на атома започна да се разглежда като такова, че се образува в случай, когато вълната, направила пълен оборот около ядрото, се повтаря.
