2.1. Квантовый характер излучения и поглощения энергии. Постулат Планка.

Квантовый постулат Планка гласит:

Лучистая энергия испускается и поглощается телами не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями или квантами. При этом энергия каждой такой порции и связана с частотой излучения соотношением, получившим название уравнения Планка:

Где - постоянная Планка, равная 6,626

В 1913 году датский физик Нильс Бор разработал теорию строения атома водорода, используя модель Резерфорда и квантовый постулат Планка.

2.2. Постулаты Бора

1. Электрон вращается вокруг ядра, не излучая и не поглощая энергии, по строго определенным стационарным орбитам, удовлетворяющим теорию квантов..

На каждой из этих орбит электрон обладает определенной энергией. Чем дальше от ядра расположена орбита, тем большей энергией обладает находящийся на ней электрон.

2. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другу атом излучает или поглощает энергию в виде светового кванта.

Для случая испускания энергии:

где – частота излучения светового кванта, - энергия атома при нахождении электрона на более удаленной от ядра орбите, - энергия атома при нахождении электрона на более близкой к ядру орбите.

Теория Бора позволила объяснить механизм образования оптического спектра. При переходе электрона с дальних энергетических уровней не один и тот же ближайший возникает спектральная серия. Одной линии соответствует отдельный переход электрона на данный уровень.

Описывая движение электронов в атоме по стационарным орбитам, Бор эти орбиты пронумеровал. Ближайшая к ядру орбита получила порядковый номер 1, следующая - 2 и т. д. Эти порядковые номера были названы главными квантовыми числами. Нильс Бор, используя вышеперечисленные постулаты, вывел формулы для радиусов стационарных орбит и энергии стационарных орбит, куда входили главные квантовые числа n:

где – радиус первой стационарной орбиты, равный

Отрицательный знак энергии означал устойчивость системы, которая тем более устойчива, чем ниже, то есть, чем более отрицательна ее энергия.

Итак, согласно Бору, главное квантовое число n определяло:1) номер электронной орбиты; 2) радиус электронной орбиты; 3) энергию электрона на данной стационарной орбите. Однако впоследствии появились работы, в которых утверждалось, что электрон нельзя представлять в виде материальной частицы, движущейся по строго определенным орбитам, так как и орбит в нашем обыденном понимании в атоме не существует. Возникла необходимость в более совершенной модели атома, основанной на новых открытиях в микромире.

2.3. Двойственная или корпускулярно-волновая природа электрона

В 1905 г. Эйнштейн предсказал, что любое излучение представляет собой поток квантов энергии, называемых фотонами. Изучение природы и распространения света показало, что он обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

Корпускулярные свойства фотона выражаются уравнением Планка

согласно которому фотон неделим и существует в виде дискретного образования.

Волновые же свойства фотона находят выражение в уравнении

которое связывает длину волны λ электромагнитного колебания с его частотой υ и скоростью распространения с. Использование здесь понятия о длине волны предполагает, что фотон обладает волновыми свойствами.

Из этих уравнений получаем соотношение, связывающее корпускулярную характеристику фотона Е с его волновой характеристикой λ:

Но фотон с энергией Е обладает и некоторой массой m в соответствии с уравнением Эйнштейна:

Отсюда находим, что длина волны и масса фотона связаны выражением:

Полученное выражение описывает соответствие друг другу волновых (λ) и корпускулярных (m) свойств фотона.

В 1924 г. Луи де Бройль (Франция) выдвинул предположение, что электрон также характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом. Позднее это было подтверждено на опытах по дифракции на кристаллах Де Бройль предложил уравнение, связывающее длину волны λ электрона или любой другой частицы с массой m и скоростью :

В классической механике для определения траектории движения и скорости частицы требуется знание начального импульса и пространственных координат ее положения. Однако в квантовой механике доказывается, что существует ограничение на точность одновременного определения этих величин. Это ограничение получило названия принципа неопределенности Гейзенберга.