2.4.2 Эволюция представлений о строении атома. Корпускулярно-волновой дуализм.

Атом – электрически нейтральная система, мельчайшая частица химического элемента.

В 1911 году английский физик Э.Резерфорд предложил планетарную модель атома. Эта модель представляла атом как положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны (см. приложение). Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны между собой. В ядре атома сосредоточено 99,9 % массы атома. Ядро атома имеет размером 10^-15 - 10^-14 м, электроны находятся от ядра на расстоянии от 10 тыс. до 100 тыс. поперечников ядра, т.е. основную часть атома составляет пустое пространство.

Модель атома Резерфорда имеет сходство с строением Солнечной системы, поэтому она называется планетарной. Однако планетарная модель не может объяснить устойчивость атома, так как из-за ускоренного движения и притяжения к ядру электрон должен упасть на ядро. Датский физик Нильс Бор (1885-1962) в 1913 предложил новую теорию строения атома, в основу которой положил следующие постулаты:

• Постулат стационарных состояний: электроны в атоме могут двигаться только по определенным (разрешенным или стационарным) орбитам, на которых они не излучают и не поглощают энергию. Электрон на каждой орбите обладает определенной энергией Е_n. Чем дальше орбита удалена от ядра атома, тем большей энергией обладает электрон, который на ней находится. Этот постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны не падают при движении на ядро атома.

• Правило частот: при переходе с одной стационарной орбиты на другую электрон испускает или поглощает энергию. Поскольку энергии орбит электронов дискретны и постоянны, то и излучение или поглощение энергии происходит порциями (квантами). Второй постулат объяснил прерывность спектра излучения электрона.

Идея квантования физических величин лежит в основе корпускулярно-волнового дуализма частиц. Физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. Сама идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце 19-го – начале 20-го века.

Открытие электрона. В 1897 г. был открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим в природе, элементарным. Заряд любого тела q равен целому числу элементарных зарядов, т.е. заряд дискретен (квантуется) и равен q=±ne, где е – заряд электрона.

Квантование энергии. В 1900 г. Макс Планк (1858-1947) предложил следующую гипотезу: электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики. Согласно этим представлениям энергия кванта e = h×n, где n - частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10^-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (см. приложение).

В 1905 г. А. Эйнштейн расширил границы применения гипотезы Планка предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. Как видно, это возвращает нас к корпускулярным воззрениям Ньютона, но на новом уровне. Гипотеза Энштейна позволила объяснить явление фотоэффекта – выбивание электронов из вещества под действием электромагнитных волн.

Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, энергия может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии.

Теория Н.Бора, не смотря на очевидные достоинства, все же не могла описать многоэлектронные атомы. Это связано с волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно. В действительности состояние электрона может меняться. Н.Бор предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле и проявляют свойства волны (имеют длину, частоту, им свойственны интерференция, дифракция), при другом – как дискретные материальные частицы (имеют массу, движутся со скоростью V). Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее «размазаны» по атому, причем неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума, Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона и представляет его орбиту.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме частиц. Она устанавливает единство дискретности и непрерывности материи. Так, например, электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта гипотеза имеет универсальный характер, т.е. все микрочастицы могут вести себя и как волна, и как частица.

На основе представлений о квантово-волновом дуализме частиц были сформулированы принципы, которые в дальнейшем стали носить всеобщий характер.

Принцип дополнительности (1927). Корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми и не могут проявляться одновременно, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Таким образом, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих, но, в то же время, дополняющих друг друга (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях. Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в тоже время противоречат друг другу. При точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение.

Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Н.Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности.

Принцип соотношения неопределенности Гейзенберга (1927). В.Гейзенберг пришел к выводу о невозможности одновременного точного измерения координаты частицы и ее импульса. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. По-другому обстоит дело с микрочастицей. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет точной траектории движения, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной. Другими словами, мы можем говорить о значениях координаты и импульса микрочастицы только с некоторой степенью приближения.

Важно заметить, что эта неопределенность не связана с несовершенством наших приборов. Речь о том, что принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Этого нельзя сделать точно, так же как нельзя превысить скорость света, достичь абсолютного нуля температур, поднять себя за волосы, вернуть вчерашний день.

Принцип соотношения неопределенности и принцип дополнительности указывает на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики – статистические, и они являются базой для релятивистской квантовой механики.