Подставляя в это выражение r (полученное выше), e и m для электрона, легко найти, что f = 7∙1015 с-1. Это значение также совпадает со значениями f, найденными с помощью других методов.

Несмотря на определенные успехи в объяснении строения атома, достигнутые в рамках планетарной модели и классической теории, перед физиками встал ряд непреодолимых противоречий. Так, согласно законам классической электродинамики:

1)заряженная частица, движущаяся с ускорением, должна непрерывно излучать электромагнитную энергию;

2)частота этого излучения должна быть равна частоте обращения частицы вокруг ядра.

Следовательно, в соответствии с этой моделью полная энергия атома должна уменьшаться (становясь все более отрицательной), тогда как частота обращения (см. 7.7) должна непрерывно возрас-

тать. Простой расчет показывает, что при этих условиях за ничтожное время (~ 10-8 с) электрон упадет на ядро и атом прекратит свое существование. Кроме того, если данная модель верна, то оптический спектр водорода (как и спектры других элементов) должен быть непрерывным, а это означает, что все атомы за очень короткое время будут разрушены.

Оба заключения находятся в полном противоречии с экспериментальными данными: атом является очень устойчивой системой,

аоптические спектры газов имеют вовсе не непрерывное распределение по частоте, а характеризуются набором дискретных частот, т. е. имеют линейчатую структуру. Все эти факты привели к тому, что планетарная модель в классическом изложении вскоре была признана несостоятельной.

7.1.2. Атомные спектры

Электрический разряд в трубке, содержащей одноатомный газ под низким давлением, является источником света, анализ которо-

161

го с помощью призменного спектрографа позволяет обнаружить серию очень отчетливых линий. Эти линии, характеризующие используемый в разрядной трубке газ, называются линейчатым спектром данного газа. Видимая часть спектра водорода, показанная на рисунке, называется серией Бальмера, по имени швейцарского физика И. Бальмера, обнаружившего ее в 1885 г. Если в разрядной трубке используется азот, то получается так называемый полосатый спектр, представляющий собой дискретные группы тесно расположенных линий. Этот полосатый спектр характеризует двухатомные молекулы N2 и имеет другое происхождение по сравнению с линейчатыми спектрами.

Если такой свет пропустить через одноатомный газ, например водород, то возникает спектр поглощения. При этом на спектрограмме получается спектр с темными линиями на светлом фоне. Положение этих линий соответствует длинам волн ярких спектральных линий водорода, т. е. газ поглощает падающее излучение именно с этими длинами волн.

Шведский физик-спектроскопист Ю. Р. Ридберг (1854—1919) получил эмпирическую формулу

по которой можно рассчитать длины волн спектральных линий в серии Бальмера. Здесь R — так называемая постоянная Ридберга

162

(R = 1,0973731∙10-3 А-1). Для n = 3 λ = 6563 А (красная линия Hα), для n =4 λ = 4861 А (голубая линия Hβ); по мере увеличения и длины волн все больше сближаются, а интенсивности линий ослабевают. Наконец, при n = ∞ мы получаем границу серии, когда λ = 4/R ~ 3646 А.

Помимо серии Бальмера, в спектре водорода в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра обнаружен ряд других серий (см. табл. ).

Спектральные серии водорода

7.1.3 Постулаты Бора

В1911 г. Нильс Бор в Копенгагене получил степень доктора, и

втом же году он переехал в Англию, где продолжил свои научные исследования под руководством Дж. Дж. Томсона и Эрнеста Ре-

163

зерфорда. После того как Резерфорд предложил свою модель атома, у Бора уже не было сомнений в том, что атом должен состоять из тяжелого ядра, вокруг которого на некотором расстоянии обращаются электроны. В основу развитой им новой модели атома Бор положил ряд постулатов.

Предложенная Бором модель атома, хотя она и заменена сейчас более совершенной квантовой моделью Гейзенберга, Шредингера, Дирака и др., используется и в настоящее время, в частности при введении понятия стационарных состояний, как очень наглядная модель. Модель атома Бора впервые позволила удовлетворительно объяснить строение атома; ее дополняли и уточняли в течение последующих десяти лет Зоммерфельд, Вильсон и др. Несоответствие модели Бора новым открытиям в спектроскопии потребовало разработки новой физической теории и привело к созданию в 1924—1926 гг. квантовомеханической модели атома.

Для исправления недостатков планетарной модели Бор создал свою теорию водородоподобного атома, основанную на следующих постулатах:

1. Электрон обращается вокруг протона в атоме водорода, со-

164