Физические основы электронной техники. Элементы квантовой теории строения материи.
То, что атом является первокирпичиком материи, догадывались еще мудрецы древности. Именно свойства атомов определяют свойства веществ. Однако, как устроен атом, начало проясняться постепенно, начиная с конца 19 века. Долгое время считалось, что плотность распределения энергии излучения тел по длинам волн представляет непрерывную функцию. И аналитические выражения, описываемые формулами Рэлея-Джинса, вроде бы это подтверждали. Однако при проведении экспериментов с определением энергии излучения абсолютно черного тела выяснилось, что эти формулы удовлетворительно согласуются лишь при достаточно больших длинах волн и резко расходятся с опытом для малых длин волн, хотя с классической точки зрения формулы были безупречны.
Это расхождение (результат) получило название ультрафиолетовой катастрофы, что указывало на существование закономерностей, несовместимых с представлениями классической физики.
В 1900 году Планку удалось найти вид функции, в точности соответствующей опытным данным. Для этого ему необходимо было сделать предположение, не укладывающееся в рамки классических представлений. Он выдвинул гипотезу, в соответствии с которой электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии, величина которых пропорциональна частоте излучения.
Эти порции энергии
получили название квантов,
а коэффициент пропорциональности h
был впоследствии назван постоянной
Планка
(h=6,62*
Дж*с).
Если излучение испускается порциями, то его энергия должна быть кратна этой величине:
,
где n=0,
1, 2, …
Проводя опыты по
рассеянию α-частиц, Резерфорд
в 1911 году
предложил ядерную
модель атома.
Согласно этой модели атом представляет
собой систему зарядов, в центре которой
расположено тяжелое положительное ядро
с зарядом Z*e,
имеющее размеры не более 
см,
а вокруг ядра расположены Z
электронов, распределенных по всему
объему атома. Атом электронейтрален.
Однако ядерная модель атома оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии, Резерфорду пришлось отказаться от статической модели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра по орбитам. Но в этом случае электроны будут двигаться с ускорением и согласно классической электродинамике должны непрерывно излучать электромагнитные волны и терять энергию, что должно привести к нарушению равновесия центробежных и центростремительных сил и падению электронов на ядро.
Однако этого не происходит, что подтверждается наличием атомных оптических спектров, имеющих линейчатую структуру, которым соответствуют определенные дискретные значения частот.
Выяснилось, что классическая механика и электродинамика неспособны объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомного спектра.
Выход из тупика был предложен в 1913 году датским физиком Нильсом Бором, ценой введения предположений, противоречащих классическим представлениям. Допущения Бора представляют два его постулата.
Постулаты Бора.
Из бесконечного множества электронных орбит, которые возможны с точки зрения классической механики, осуществляются в действительности, только некоторые дискретные (стационарные) орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. На таких орбитах электроны не излучают электромагнитной энергии, несмотря на движение с ускорением. Для этого необходимо, чтобы момент импульса электрона был равен целому кратному постоянной Планка.
(n=1, 2, 3, …)
Возможность излучения или поглощения кванта энергии появляется у электрона только при переходе из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое, поэтому
- разность энергий стационарных уровней,
между которыми совершается квантовый
скачок.
Несмотря на блестящее экспериментальное подтверждение постулатов Бора, его теория не была последовательно квантовой теорией и не учитывала волновых свойств вещества.
В 1924 году Луи де-Бройль выдвинул смелую гипотезу, что корпускулярно-волновые свойства (дуализм) присущи не только оптическим явлениям, но и движущимся частицам вещества. Поэтому электрон обладает как свойствами частицы, так и волновыми свойствами: при движении по замкнутой орбите электрон не излучает электромагнитной энергии, если вдоль орбиты укладывается целое число длин волн (стоячая волна).
;
; 
, n
- целое
Принцип Паули. В соответствии с этим принципом распределение электронов по энергетическим уровням происходит так, что электроны стремятся занять уровни с наименьшей энергией, поэтому все внутренние орбиты оказываются полностью заполненными. Частично может быть заполнена только внешняя орбита (которая определяет оптические и химические свойства атома).
Принцип запрета Паули гласит, что на каждом энергетическом уровне может находиться не более 2-х электронов (с различными спинами).