Предпосылки возникновения квантовомеханической теории строения атома: уравнение Планка, постулаты Бора, уравнение Луи де Бройля
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 = hn
где h - постоянная Планка (6,625×10-34 Дж×с), n - 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 г.) показал, что это противоречие можно устранить, если принять, что свет имеет двойственную природу, являясь одновременно пакетом электромагнитных волн, энергия которых описывается уравнением Планка, и потоком фотонов - частиц с нулевой массой покоя. В этом случае кинетическая энергия фотоэлектрона будет определяться следующим соотношением:
Ек = Еф – А
где Еф - энергия фотона, А - работа, которую необходимо затратить на удаление электрона из металла (работа выхода).
С учетом уравнения Планка
Ек = hn – 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 г.), 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, 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.
Чтобы электрон мог перейти с орбиты с энергией E1 на другую орбиту с энергией Е2, поглощаемый свет должен иметь частоту, определяемую уравнением Планка:
Постулаты Бора
Атом и атомные системы могут длительно пребывать только в особенных стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.
Излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.
Де Бройлю же удалось сформулировать соотношение, связывающее импульс квантовой частицы р с длиной волны λ, которая ее описывает:
p = h/λ или λ = h/p
где h — постоянная Планка.
Это соотношение гласит буквально следующее: при желании можно рассматривать квантовый объект как частицу, обладающую количеством движения р; с другой стороны, ее можно рассматривать и как волну, длина которой равна λ и определяется предложенным уравнением. Иными словами, волновые и корпускулярные свойства квантовой частицы фундаментальным образом взаимосвязаны.