3. Хвильовий характер електрона

Згідно з теорією Бора електрон розглядали як класичну частинку, і тому її рух описували законами класичної механіки та електродинаміки.

«Корпускулярні хвилі» Л. де Бройля. У 1924 р. французький учений Л. де Бройль запропонував поняття «корпускулярні хвилі» та висловив ідею про хвильову природу електрона. Зазначивши, що для енергії фотонів квантів справедливі вирази:

ΔЕ = Е₂ – Е₁ = һν

та

(за теорією відносності Енштейна), він використав ці два рівняння, а також співвідношення ν = і знайшов, що

λ =

Для матеріальних частинок, подібних до електрона, які рухаються зі швидкістю υ, цей вираз набуває вигляду

λ =

Гіпотеза щодо хвильової природи електрона у 1927 р. була експериментально підтверджена американськими фізиками К Д. Девісоном (1881-1958) і Л. X. Джермером (1896-1971), які встановили, що потік електронів може давати дифракційний та інтерференційний ефекти й, отже, поводиться подібно до променів світла. Гіпотеза Л. де Бройля має загальний характер, і тому якому завгодно тілу масою m, що рухається зі швидкістю υ, має відповідати матеріальна хвиля. Водночас з рівняння випливає, що довжина хвилі для макротіл, скажімо, тенісного м'яча, є настільки малою, що її неможливо виміряти за допомогою приладів, які є в нашому розпорядженні. Для електронів же маса m є набагато порядків меншою, тому величини λ набувають вимірних значень.

Що ж коливається під час руху елементарної частинки? Якщо для фотона це те, що називають електромагнітною хвилею, то для електрона або нейтрона природа коливань є загадковою. Пояснення природи цієї хвилі, яке стало загальновизнаним, було запропоноване М. Борном. За Борном, величиною, що зазнає коливального руху, є ймовірність її перебування в заданому місці простору.

На ґрунті уявлень про хвильову природу електрона було створено хвильову механіку. У хвильовій механіці мікрочастинки (електрони, атоми, молекули) розглядають як реальні структурні утворення, що якісно відрізняються від макротіл. Мікрочастинки мають двоїсту корпускулярно-хвильову природу (корпускулярну і хвильову).

Принцип невизначеності Гейзенберга.

Відмінність у поведінці частинок мікросвіту і макротіл довів німецький фізик В. К Гейзенберг у 1926 р. Вона полягає в тому, що всі макротіла мають певне місце локалізації (положення), тоді як стосовно мікрочастинок з їх двоїстою природою важко говорити про точну локалізацію. Хвиля як єдине ціле розподілена в просторі, і тому її положення неможливо точно визначити.

В. К. Гейзенберг дійшов висновку, що існує принципове обмеження точності, з якою можна визначити положення Δх та імпульс Δр будь-якої мікрочастинки. Сформульоване обмеження було назване принципом невизначеності. Цей принцип можна подати так:

ΔxΔp ≥

де ∆р – зміна імпульсу електрона в атомі; ∆x – зміна положення електрона вздовж осі х; h – стала Планка.

Згідно з цим принципом для електрона, що перебуває всередині атома, одночасно точно визначити імпульс і його положення в просторі принципово неможливо, тому не можна говорити про рух електронів навколо ядра атома по окремих колових орбітах.

Гіпотеза Л. де Бройля і принцип невизначеності Гейзенберга започаткували розвиток нової теорії будови атома, яка випливає з хвильових властивостей електрона. Механіка мікрооб'єктів дістала назву квантової механіки. Вона оперує ймовірністю перебування частинок у певному просторі, але нічого не говорить про координати та швидкості їхнього руху.

В ній зберігають свої значення поняття маси, енергії та моменту імпульсу частинки. Замість терміна «рух електрона» застосовують термін «стан електрона». Отже, електрон у атомі поводиться так, що свої двоїсті властивості він виявляє, начебто заповнюючи певний об'єм навколо-ядерного простору.