Планетарная модель атома Резерфорда – исторически важная модель строения атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в классической статье, опубликованной в 1911 году на основании анализа и статистической обработки результатов экспериментов по рассеиванию альфа-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных в 1909 году [1].

В этой модели Резерфорд описывает строение атома, состоящее из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.

Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с уточнениями, что движение электронов не может быть описано законами классической механики и имеет квантовомеханическое описание.

Новую модель строения атома Резерфорд предложил в 1911 году на основе анализа экспериментов по рассеиванию, проведённых в 1909 году под его руководством.

Рассеяние альфа-частиц в золотой фольге было большое, неожиданно статистически необъяснимое, альфа-частиц рассеивалось на большие углы, что свидетельствовало о том, что центр рассеяния имеет небольшие размеры, в нём сосредоточен значительный электрический заряд и масса атома.

Расчёты Резерфорда показали, что рассеивающий центр, заряженный положительно или отрицательно, должен быть, по крайней мере, в 3000 раз меньше размера атома, который в то время уже был известен и оценивался как примерно 10⁻¹⁰ м. Поскольку в то время электроны уже были известны, а их масса и заряд определены, то рассеивающий центр, который позже назвали ядром, должен был иметь противоположный электронам заряд. Резерфорд не связал величину заряда с атомным номером, но предположил, что заряд ядра пропорционален атомной массе.

Недостатком планетарной модели была невозможность объяснения в ней устойчивости атомов. Так как электроны движутся вокруг ядра, испытывая при этом центростремительное ускорение как планеты вокруг Солнца, то они по законам классической электродинамики должны излучать электромагнитные волны, теряя при этом на излучение кинетическую энергию орбитального движения и в результате «упасть» на ядро. Расчёты, выполненные с помощью методов классической электродинамики показывают, что электроны должны «упасть» на ядро за время порядка 10⁻¹¹ с. Полностью противоречащие эксперименту выводы классической электродинамики смогло объяснить развитие квантовой механики.

Атомная модель Резерфорда также называется резерфордовской моделью атома или планетарной моделью атома, была предложена Эрнестом Резерфордом в 1911 году [2]. Резерфорд представил модель атома, в которой он описал, что атом состоит из небольшого, плотного, положительно заряженного центра, называемого ядром, вокруг которого отрицательно заряженные электроны вращаются подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Когда модель сливового пудинга Дж.Дж. Томсона потерпела неудачу, Резерфорд перевернул ее, проведя свой хорошо известный эксперимент с золотой фольгой.

Согласно атомной модели Резерфорда, считалось, что положительно заряженные частицы и большая часть массы атома сосредоточены в небольшом объеме. Он назвал эту область атомов ядром.

Другая идея, выдвинутая резерфордовской моделью атома, заключалась в том, что атомное ядро должно быть окружено отрицательно заряженными электронами. Резерфорд также предположил, что электроны обращаются вокруг ядра со скоростью света. Он назвал эти эллиптические траектории орбитами.

Идея атома была впервые предложена греческим философом Демокритом в 400 году до н.э. Концепция атомов и других мелких частиц также была известна древним индейцам. Но современное изучение атомов начинается с Джона Дальтона в 1803 году, когда он впервые предложил идею атома с современным пониманием науки. Он предположил, что атомы являются неделимыми частицами, пока в 1897 году британский физик Дж.Дж. Томсон не открыл отрицательно заряженные частицы электроны.

Дж.Дж. Томсон предложил модель атома в виде сливового пудинга, также называемую атомной моделью Томсона, но у нее были некоторые ограничения. Она не смогла объяснить определенные экспериментальные результаты, относящиеся к атомной структуре различных элементов.

После этого британским физиком Эрнестом Резерфордом была предложена новая модель атомов, и эта модель известна как модель атомов Резерфорда. Он провел эксперимент, в котором бомбардировал частицами тонкий лист золота, и пришел к выводу, что атомы также имеют положительно заряженные частицы в центре атома, где сосредоточена вся его масса.

Чтобы определить, как расположены электроны в атоме, Резерфорд организовал эксперимент по рассеянию альфа (α) частиц. Быстро движущиеся α-частицы были направлены для бомбардировки тонкого листа золота.

Гипотеза заключалась в том, что α-частицы будут отклоняться субатомными частицами в атомах золота. Резерфорд не ожидал увидеть значительных отклонений, поскольку α-частицы были значительно тяжелее протонов. Однако эксперимент дал совершенно непредвиденные результаты.

Резерфорд наблюдал следующее в своем эксперименте по рассеянию α-частиц:

1. Большой процент альфа-частиц прошел через золотую пленку, не отклоняясь, что указывает на то, что большая часть пространства в атоме пуста. В результате основная часть атома должна быть пустой.

2. Положительный заряд в атоме сосредоточен в относительно небольшом объеме и распределен неравномерно. При бомбардировке золотая фольга отклоняла лишь небольшое количество альфа-частиц. У них были чрезвычайно малые углы отклонения. Итак, он пришел к указанному выводу.

3. Очень немногие альфа-частицы отклонялись назад или под большими углами. Кроме того, относительно небольшое количество частиц отклонялось на 180 °. В результате он пришел к выводу, что положительно заряженные частицы занимают лишь небольшую часть общего объема атома.

Резерфорд сделал следующий вывод из своих наблюдений:

· Поскольку большая часть α-частиц, направленных к золотому листу, прошла через него без какого-либо отклонения, таким образом, большая часть пространства в атоме свободна.

· Лишь несколько α-частиц отклонились от своего маршрута, что позволяет предположить, что положительный заряд атома занимает относительно мало места.

· Поскольку очень маленький процент α-частиц полностью отскочил, это означало, что масса и положительный заряд атома сосредоточены в небольшом объеме и распределены неравномерно.

Вот основные постулаты атомной модели Резерфорда, основанные на наблюдениях и выводах эксперимента с золотой фольгой:

· Положительно заряженные частицы составляют атом. Большая часть массы атома содержалась в очень маленькой области. Ядро атома было термином, используемым для описания этой области атома. Позже было обнаружено, что нейтроны и протоны составляют чрезвычайно крошечное и плотное ядро атома.

· Электроны, окружающие ядро атома, являются отрицательно заряженными частицами. Электроны быстрее вращаются по фиксированной круговой траектории вокруг ядра. Такая фиксированная круговая траектория называется орбитой.

· Поскольку электроны заряжены отрицательно, а плотно упакованное ядро заряжено положительно, атом либо не имеет суммарного заряда, либо электрически нейтрален. Ядро и электроны удерживаются вместе сильной электрической силой притяжения.

Существует несколько ограничений или недостатков атомной модели Резерфорда, которые заключаются в следующем:

· Модель Резерфорда предсказывает, что электроны будут вращаться вокруг положительно заряженного ядра, которое, как ожидается, не будет стабильным. Заряженная частица, быстро движущаяся по круговому маршруту, будет постоянно терять энергию и в конечном итоге разрушится в ядро. Это приводит к нестабильности атома, тогда как мы знаем, что атомы чрезвычайно стабильны.

· Поскольку она просто постулировала существование протонов в ядре, модель Резерфорда не могла решить проблему атомной массы.

· Атомная модель Резерфорда не объясняет расположение электронов в атоме, что делает эту модель неполной в этом отношении.

На пути познания сложной структуры атомов вещества наукой пройден непростой путь[3]. Одним из шагов на этом пути явилась планетарная модель атома. Рассмотрим эту модель подробнее.

Мысль о том, что все вещества в Природе состоят из мельчайших неделимых частиц – атомов, высказывалась еще в античные времена. По мере развития научных представлений, стало ясно, что это не совсем так. Минимальная частица вещества, сохраняющая свойства вещества – это молекула. Молекула же чаще всего состоит из нескольких атомов одного или разных элементов (но иногда молекула состоит из одного атома).

Атомы же элементов долгое время считались неделимыми. Однако, в самом конце XIX в были открыты электроны – их испускал нагретый электрод в колбе с вакуумом. Стало ясно, что даже атомы простого вещества имеют структуру. Согласно первой атомной теории Дж.Томсона атом представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого заключены один или несколько электронов.

Для зондирования состава атома Э. Резерфорд использовал поток альфа-частиц, испускаемых радиоактивным препаратом на тонкую металлическую фольгу, а после прохождения фольги частицы попадали на экран, вызывая его свечение. По размеру зоны отклонения можно было судить о том, как воздействовал атом вещества фольги на альфа-частицу.

Альфа-частица (фактически, представляющая собой ядро атома гелия) имеет гораздо больший вес, чем электрон, таким образом, электроны не могут сколь-нибудь заметно повлиять на ее движение. Отклонение альфа-частицы может происходить только из-за взаимодействия с положительно заряженным атомом. При этом, чем равномернее распределен заряд по атому, тем меньше он будет отклонять альфа-частицу, влияя только на ее скорость (в результате кулоновского взаимодействия).

Опыт дал неожиданный результат. Большинство альфа-частиц, как и следовало ожидать, отклонялись очень слабо. Однако, небольшой их процент отклонялся на большие углы, иногда частицы полностью меняли направление движения. Модель Томсона никак не могла объяснить этого явления.

Из опыта Резерфорда следовало, что весь положительный заряд и вся масса атома сосредоточена в очень малой его части. Поэтому была предложена планетарная модель строения атома, согласно которой внутри атома имеется маленькое положительно заряженное ядро, вокруг которого обращаются отрицательно заряженные электроны.

В целом атом получается нейтральным. Электроны не падают на ядро потому, что они вращаются вокруг него по круговым орбитам. Таким образом, атом подобен Солнечной системе, ядро подобно Солнцу, а электроны – планетам.

На самом деле атом заметно более «пуст», чем Солнечная система. Если атом увеличить так, чтобы ядро увеличилось до размера Солнца, орбиты электронов будут в сто раз дальше от Солнца, чем Земля.

Планетарная модель атома Резерфорда объяснила опыт по рассеянию альфа-частиц, однако, она противоречила электродинамике Максвелла, согласно которой заряд, движущийся с ускорением, должен излучать электромагнитные волны. Электрон, двигаясь по круговой орбите, имеет постоянное центростремительное ускорение, а значит, должен излучать, теряя энергию, и в конце концов, должен упасть на ядро. Расчеты показывали, что это должно происходить очень быстро. Однако, в реальности атомы устойчивы. Данное затруднение было преодолено только с развитием квантовой физики.

Строение атома является сложным [4]. Это подтверждают открытия таких явлений, как электрон, рентгеновские лучи и радиоактивность. В результате теоретических исследований и многочисленных опытов была построена теория строения атома. Особенно важный вклад в создание теории строения атома внёс английский физик Эрнест Резерфорд (1871 – 1937), который проводил опыты по изучению прохождения альфа-частиц через тонкие металлические пластины золота и платины.

Резерфорд в 1906 году предложил провести зондирование атомов тяжёлых элементов альфа-частиц с энергией 4,05 МэВ, которые испускались ядром урана или радия. Таким образом предлагалось изучить рассеяние (изменение направления движения) альфа-частиц в веществе.

Наблюдаемая на экране картина позволила заключить, что большинство альфа-частиц проходит сквозь золотую фольгу без заметного изменения направления их движения. Однако некоторые частицы отклонялись на большие углы от первоначального направления альфа-частиц (порядка 135^о…150^о) и даже отбрасывались назад. Исследования показали, что при прохождении альфа-частиц сквозь фольгу примерно на каждые 10000 падающих частиц только одна отклоняется на угол более 10 от первоначального направления движения. Лишь в виде редкого исключения одна из огромного числа альфа-частиц отклоняется от своего первоначального направления.

Тот факт, что многие альфа-частицы проходили сквозь фольгу, не отклоняясь от своего направления движения, говорит о том, что атом не является сплошным образованием. Так как масса альфа-частицы почти в 8000 раз превосходит массу электрона, то электроны, входящие в состав атомов фольги, не могут заметно изменить траекторию альфа-частиц. Рассеяние альфа-частиц может вызывать положительно заряженная частица атома – атомное ядро.

Атомное ядро – это тело малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и почти весь положительный заряд атома.

Резерфорд смог ввести формулу, связывающую количество рассеянных на определённый угол альфа-частиц с энергией альфа-частиц и протонов р в ядре атома. Опытная проверка формулы подтвердила её справедливость и показала, что количество протонов в ядре равно числу внутриатомных электронов Z и определяется атомным номером химического элемента, то есть порядковым номером элемента в периодической системе Д.И.Менделеева.

После анализа многочисленных опытов, Резерфордом в 1911 году была предложена планетарная модель атома (ядерная модель атома).

Согласно этой модели в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Электроны движутся вокруг ядра на относительно больших расстояниях, подобно тому, как планеты вращаются вокруг солнца. Из совокупности этих электронов образуется электронная оболочка или электронное облако.

Атом в целом нейтрален, следовательно, абсолютное значение суммарного отрицательного заряда электронов равно положительному заряду ядра: число протонов в ядре равно числу электронов в электронном облаке и совпадает с порядковым номером (атомным номером) атома данного химического элемента в периодической системе Д.И.Менделеева.

Модель Томсона была первым пробным шагом в познании микромира [5]. Однако она не отвечала на многие вопросы. Требовался новый нестандартный взгляд для создания модели, способной разрешить возникшие противоречия.

Модель атома, предложенная Томсоном, давала только общее представление о строении атома и не согласовывалась со все новыми данными экспериментов и теоретических вычислений. Настало время создания другой модели, способной согласовать теорию и эксперимент.

К 1904 году японский физик Хантаро Нагаока разработал раннюю «планетарную модель» атома — так называемый «атом типа Сатурна». Модель была разработана по аналогии с расчетами устойчивости колец Сатурна. И хотя впоследствии модель и оказалась ошибочной, два следствия из нее все-таки оказались пророческими:

-- ядро атома действительно очень массивно;

-- электроны удерживаются на орбите электростатическими силами.

Годом раньше немецкий физик Филипп фон Ленард попытался создать модель, которая не предполагала раздельное существование в атоме противоположных зарядов. Атом, согласно модели Ленарда, состоит из нейтральных частиц — динамид, каждая из которых является электрическим дуплетом. Расчеты, выполненные Ленардом, показали, что эти частицы должны иметь очень маленькие размеры, то есть большая часть объема атома представляет собой пустоту.

Эрнест Резерфорд (1871-1937) — британский физик новозеландского происхождения. Известен как отец ядерной физики. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.

В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под руководством Эрнеста Резерфорда решили попытаться найти экспериментальное подтверждение модели Томсона и провели ставшие классическими опыты по рассеиванию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Альфа-частицы были выбраны благодаря своей большей массе (в 7350 раз больше массы электрона), поэтому они не должны претерпевать сколь-нибудь заметного отклонения при взаимодействии с электронами. Это позволяет исследовать только положительную составляющую атома. Источником альфа-частиц послужил радий. Частицы, проходящие через золотую фольгу, рассеивались, и это рассеяние регистрировалось по сцинтилляционным вспышкам на экране из сульфида цинка.

В начале эксперимента исследовались только малые углы отклонения альфа-частицы. И тут выяснилось, что подавляющее большинство частиц проходили сквозь фольгу, как раскаленная дробинка через кусок масла, словно мишень была прозрачна для бомбардирующих ее частиц. Наблюдалось лишь весьма незначительное отклонение порядка одного градуса.

Затем Резерфорд поручил молодому сотруднику Марсдену выяснить, могут ли частицы рассеиваться на большие углы. В частности, до 180°. И вот зимним днем 1909 года Марсден остановил на университетской лестнице Резерфорда и сказал: «Вы были правы, профессор: они возвращаются». Это было невероятно и противоречило существующей модели атома. Таким образом, вместо доказательства правоты Томсона эксперименты Резерфорда доказали ее несостоятельность.

Тот факт, что альфа-частицы возвращались, говорил о том, что они столкнулись с преградой — очень массивной положительно заряженной частицей, но эти столкновения происходили очень редко, в среднем — одно на восемь тысяч. А это уже свидетельство о том, что... Впрочем, именно над этим и задумался Резерфорд.

Альфа-частица (а-частица)— положительно заряженная частица, образованная двумя протонами и двумя нейтронами, по сути это ядро атома гелия. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами, или альфа-излучением.

И задумался он на целых два года. К 1911 году результатом его раздумий явилась новая модель строения атома. Однако обо всем по порядку.

Альфа-частицы, проходя через фольгу, проходят сквозь атомы золота в большинстве случаев без отклонений.

Из этого следуют два вывода. Первый: легкие электроны практически не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Вывод второй: так как альфа-частицы в большинстве случаев отклоняются на малые углы, атом в большей части своего объема пустой.

Небольшая часть альфа-частиц все же отклоняется на значительные углы. А значит, вывод третий такой: центральная часть атома очень маленьких размеров, но в ней сосредоточена почти вся масса атома, и эта центральная часть имеет положительный заряд. Она и получила название ядра атома.

Согласно Резерфорду, атом состоит из массивного положительного ядра и вращающихся по определенным орбитам вокруг него электронов, что само по себе напомнило Солнечную систему, поэтому модель и получила название планетарной.

Если представить атом в виде сферы диаметром один километр — его ядро будет размером с мелкую монету.

Однако и эта модель атома оказалась в противоречии с классической физикой. Согласно теории Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Поскольку электроны, вращаясь вокруг ядра, движутся с центростремительным ускорением, они должны непрерывно излучать электромагнитные волны. На самом же деле в нормальном состоянии атомы не излучают!

Благодаря излучению электромагнитных волн энергия электронов должна непрерывно уменьшаться, и они должны приближаться к ядру и, в конце концов, непременно «упасть» на него. Однако опыты показывают, что атомы существуют довольно продолжительное время.

Таким образом, эти факты были несовместимы с планетарной моделью атома Резерфорда, если рассматривать ее с позиции классической электродинамики.

Разрешения этих противоречий были еще впереди. Пока же количество вопросов значительно превышало число удобоваримых объяснений. Тем не менее, это был значительный шаг на пути понимания устройства мира. Добавим лишь, что рассеяние микрочастиц на других частицах или атомных ядрах — это квантовый процесс, а для его описания необходимо уравнение Шредингера, которого в 1911 году еще попросту не было.

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена, но только в XVIII веке трудами А. Лавуазье, М. В. Ломоносова и других ученых была доказана реальность существования атомов [6]. Но вопрос об их внутреннем устройстве даже не возникал, и атомы по-прежнему считались неделимыми частицами. В XIX веке изучение атомистического строения вещества существенно продвинулось вперед. В 1833 году при исследовании явления электролиза М. Фарадей установил, что ток в растворе электролита это упорядоченное движение заряженных частиц – ионов. Фарадей определил минимальный заряд иона, который был назван элементарным электрическим зарядом. Его приближенное значение оказалось равным e = 1,60·10^–19 Кл.

На основании исследований Фарадея можно было сделать вывод о существовании внутри атомов электрических зарядов.

Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д. И. Менделеев, разработавший в 1869 году периодическую систему элементов, в которой впервые был поставлен вопрос о единой природе атомов.

Важным свидетельством сложной структуры атомов явились спектроскопические исследования, которые привели к открытию линейчатых спектров атомов. В начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в излучении атомов водорода в видимой части спектра. Впоследствии, в 1885 г. И. Бальмером были установлены математические закономерности, связывающие длины волн этих линий.

В 1896 году А. Беккерель обнаружил явление испускания атомами невидимых проникающих излучений, названное радиоактивностью. В последующие годы явление радиоактивности изучалось многими учеными (М. Склодовская-Кюри, П. Кюри, Э. Резерфорд и др.). Было обнаружено, что атомы радиоактивных веществ испускают три вида излучений различной физической природы (альфа-, бета- и гамма-лучи). Альфа-лучи оказались потоком ионов гелия, бета-лучи – потоком электронов, а гамма-лучи – потоком квантов жесткого рентгеновского излучения.

В 1897 году Дж. Томсон открыл электрон и измерил отношение e / m заряда электрона к массе. Опыты Томсона подтвердили вывод о том, что электроны входят в состав атомов.

Таким образом, на основании всех известных к началу XX века экспериментальных фактов можно было сделать вывод о том, что атомы вещества имеют сложное внутреннее строение. Они представляют собой электронейтральные системы, причем носителями отрицательного заряда атомов являются легкие электроны, масса которых составляет лишь малую долю массы атомов. Основная часть массы атомов связана с положительным зарядом.

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. Этот результат привёл Резерфорда к выводу, чтоатом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточени в малом объёме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

1.2. Недостатки теории Резерфорда.

Модель атома Резерфорда имеет недостатки [7]. Эта модель не согласуется с наблюдаемой стабильностью атомов. По законам классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, а поэтому терять свою энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него. Эта модель не объясняет наблюдаемые на опыте оптические спектры атомов. Оптические спектры атомов не непрерывны, как это следует из теории Резерфорда, а состоят из узких спектральных линий, т.е. атомы излучают и поглощают электромагнитные волны лишь определенных частот, характерных для данного химического элемента. К явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы.

Создание Резерфордом планетарной, или ядерной, модели атома было крупным шагом вперед в познании строения атома. Но в некоторых случаях эта теория вступала в противоречие с твердо установленными фактами.

Так планетарная модель не могла объяснить устойчивости атома. Вращаясь вокруг ядра, электрон должен часть своей энергии испускать в виде электромагнитных колебаний, что должно привести к нарушению равновесия между электростатическим притяжением электрона к ядру и центробежной силой, обусловленной вращением электрона вокруг ядра.

Для восстановления равновесия электрон должен переместиться ближе к ядру. Следовательно, непрерывно излучая электромагнитную энергию, электрон должен постепенно приближаться к ядру и в конце концов упасть на него - существование атома должно прекратиться. В действительности атом очень устойчив и может существовать бесконечно долго.Модель Резерфорда не могла объяснить также характер атомного спектра. Известно, что солнечный свет, проходя через стеклянную призму, образует спектр - цветную полосу, содержащую все цвета радуги. Это явление объясняется тем, что солнечный свет состоит из электромагнитных волн различных частот. Волны различных частот неодинаково преломляются призмой, что приводит к образованию сплошного спектра.Аналогично ведет себя свет, излучаемый раскаленными жидкостями и твердыми телами. Спектр раскаленных газов и паров представляет собой отдельные цветные линии, разделенные темными промежутками, - линейчатый спектр. При этом атомы одного элемента дают вполне определенный спектр, отличающийся от спектра другого элемента.Линейчатый характер спектра водорода не согласуется с теорией Резерфорда, так как излучающий энергию электрон должен приближаться к ядру непрерывно, и его спектр должен быть непрерывным, сплошным.Следовательно, планетарная модель атома не могла объяснить ни устойчивости атомов, ни линейчатый характер спектра газов и паров.

Резерфорд предположил, что атом состоит из ядра, очень маленького, очень массивного и положительно заряженного. Электроны оставались на орбитах вокруг него, как миниатюрная солнечная система.

Поскольку электроны тоже очень и очень маленькие, оказывается, что атом – это почти все…. пусто! Таким образом, большинство альфа-частиц проходят сквозь лист практически без отклонений.

И аналогия с миниатюрной солнечной системой очень точна. Ядро атома играет роль Солнца, содержащего почти всю массу плюс положительный заряд. Электроны вращаются вокруг них, как планеты, и несут отрицательный заряд. Сборка электрически нейтральна.

Что касается распределения электронов в атоме, эксперимент Резерфорда ничего не показал.

Одной из проблем этой атомной модели было именно поведение электронов.

Если бы они не были статичными, а вращались бы вокруг ядра атома по круговой или эллиптической орбите, движимые электрическим притяжением, они в конечном итоге устремились бы к ядру.

Это происходит потому, что ускоренные электроны теряют энергию, и если это произойдет, произойдет коллапс атома и вещества.

К счастью, этого не происходит. Это своего рода динамическая устойчивость, предотвращающая коллапс. Следующей после модели Резерфорда атомной моделью была модель Бора, которая дала некоторые ответы на вопрос, почему не происходит атомного коллапса.

Противоречия планетарной модели атома [8]:

1. Модель строения атома, предложенная Резерфордом, оказывается в противоречии с основными законами классической физики. Она не могла объяснить устойчивость атомов. В действительности же атомы достаточно устойчивы и не излучают энергию в невозбуждённом состоянии.

2. Выход из создавшегося положения был найден Бором. В 1913 г. он предложил идею, основанную на квантовых представлениях, которая позволила понять и объяснить стабильность атома. В виде постулатов Бор сформулировал положения новой теории, которые налагали определённые ограничения на классические представления о движении микрочастиц и электромагнитном излучении.

Тот факт, что альфа-частицы возвращались, говорил о том, что они столкнулись с преградой — очень массивной положительно заряженной частицей, но эти столкновения происходили очень редко, в среднем — одно на восемь тысяч. А это уже свидетельство о том, что. Впрочем, именно над этим и задумался Резерфорд.

Альфа-частицы, проходя через фольгу, проходят сквозь атомы золота в большинстве случаев без отклонений.

Если представить атом в виде сферы диаметром один километр — его ядро будет размером с мелкую монету.

Предложенная Резерфордом модель строения атома покоится на твердых экспериментальных данных и хорошо объясняет их [9]. Но в то же время она не объясняет ни спектральных закономерностей, ни самого факта испускания атомом монохроматического излучения. В самом деле, движение электрона по орбите, как и всякое криволинейное движение, есть движение с ускорением. Согласно законам классической электродинамики криволинейное движение должно сопровождаться излучением света соответствующей частоты. В частности, при равномерном движении по кругу частота излучения равна частоте обращения по кругу. Следовательно, при движении электрона вокруг ядра атом должен излучать энергию. Но непрерывное уменьшение энергии приводит к непрерывному уменьшению радиуса орбиты электрона и электрон будет двигаться по спирали приближаясь к ядру. А так как скорость движения электрона остается неизменной, то увеличивается число оборотов в секунду, т.е. непрерывно должна увеличиваться частота излучении, спектр излучения должен быть непрерывным. Непрерывно приближаясь к ядру электрон через малую долю секунды должен упасть на ядро, т.е. атом должен являться неустойчивой системой.

Таким образом, применение классической электродинамики к модели атома Резерфорда приводит к полному противоречию с экспериментальными фактами. Согласно классической теории должно быть:

а) непрерывное приближение электрона к ядру, т.е. неустойчивость атома, но в действительности атом является весьма устойчивой системой;

б) спектр излучения должен быть только непрерывным, сплошным, в действительности же наблюдаются спектры линейчатые.

Для объяснения этих противоречий понадобилось новая физическая теория – квантовая теория.

1.3. Выводы.

1. Планетарная модель атома Резерфорда – исторически важная модель строения атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в классической статье, опубликованной в 1911 году на основании анализа и статистической обработки результатов экспериментов по рассеиванию альфа-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных в 1909 году.

2. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с уточнениями, что движение электронов не может быть описано законами классической механики и имеет квантовомеханическое описание.

3. Недостатком планетарной модели была невозможность объяснения в ней устойчивости атомов. Электроны движутся вокруг ядра, испытывая при этом центростремительное ускорение, по законам классической электродинамики должны излучать электромагнитные волны, теряя при этом на излучение кинетическую энергию орбитального движения и в результате «упасть» на ядро.

4. Другая идея, выдвинутая резерфордовской моделью атома, заключалась в том, что атомное ядро должно быть окружено отрицательно заряженными электронами. Резерфорд также предположил, что электроны обращаются вокруг ядра со скоростью света. Он назвал эти эллиптические траектории орбитами.

5. Из опыта Резерфорда следовало, что весь положительный заряд и вся масса атома сосредоточена в очень малой его части. Поэтому была предложена планетарная модель строения атома, согласно которой внутри атома имеется маленькое положительно заряженное ядро, вокруг которого обращаются отрицательно заряженные электроны.

6. Планетарная модель атома Резерфорда объяснила опыт по рассеянию альфа-частиц, однако, она противоречила электродинамике Максвелла, согласно которой заряд, движущийся с ускорением, должен излучать электромагнитные волны.

7. Эрнест Резерфорд (1871-1937) — британский физик новозеландского происхождения. Известен как отец ядерной физики. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.

8. Согласно теории Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Поскольку электроны, вращаясь вокруг ядра, движутся с центростремительным ускорением, они должны непрерывно излучать электромагнитные волны. На самом же деле в нормальном состоянии атомы не излучают!

9. Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости.

10. Создание Резерфордом планетарной, или ядерной, модели атома было крупным шагом вперед в познании строения атома. Но в некоторых случаях эта теория вступала в противоречие с твердо установленными фактами.

11. Планетарная модель не могла объяснить устойчивости атома. Вращаясь вокруг ядра, электрон должен часть своей энергии испускать в виде электромагнитных колебаний, что должно привести к нарушению равновесия между электростатическим притяжением электрона к ядру и центробежной силой, обусловленной вращением электрона вокруг ядра.

12. Предложенная Резерфордом модель строения атома покоится на твердых экспериментальных данных и хорошо объясняет их. Но в то же время она не объясняет ни спектральных закономерностей, ни самого факта испускания атомом монохроматического излучения. В самом деле, движение электрона по орбите, как и всякое криволинейное движение, есть движение с ускорением.

A2. Проблема теоретической физики с вращением электрона в модели Резерфорда.

2.1. Движение электрона по круговой орбите.

Атом лучше всего представить себе как тесное, плотное ядро, окруженное жужжащими электронами [10]. Эта картина сразу же приводит к вопросу:

Как электроны продолжают вращаться вокруг ядра, никогда не замедляясь, откуда они берут энергию для вращения вокруг ядра атома?

Этот вопрос будоражил умы в начале ХХ века, и поиски ответа в конечном итоге привели к созданию квантовой механики.

В начале 20 века, после бесчисленных экспериментов, физики только начинали составлять целостную картину атома. Они поняли, что каждый атом имеет плотное, тяжелое, положительно заряженное ядро, окруженное облаком крошечных отрицательно заряженных электронов. Имея в виду эту общую картину, их следующим шагом было создание более подробной модели.

В самых ранних вариантах этой модели ученые черпали вдохновение в Солнечной системе, которая имеет плотное ядро (Солнце), окруженное «облаком» более мелких частиц (планет). Но эта модель скрывала в себе две существенные проблемы.

Во-первых, заряженная частица, которая ускоряется, испускает электромагнитное излучение. А поскольку электроны — заряженные частицы, и они ускоряются на своих орбитах, то должны испускать излучение. Это излучение приведет к тому, что электроны потеряют энергию и быстро свернуться по спирали и столкнуться с ядром. В начале 1900-х годов физики подсчитали, что такая внутренняя спираль займет менее одной триллионной секунды. Но, очевидно, атомы живут дольше пикосекунды.

Вторая проблема была связана с самой природой излучения. Ученым известно, что атомы что-то излучают, но на очень дискретных, специфических частотах. Орбитальный электрон, если бы он следовал этой модели Солнечной системы, вместо этого излучал бы все виды длин волн, вопреки наблюдениям.

Знаменитый датский физик Нильс Бор был первым, кто предложил решение этой проблемы. В 1913 году он предположил, что электроны в атоме не могут иметь любую орбиту, какую захотят. Вместо этого они должны были быть привязаны к орбитам на очень определенных расстояниях от ядра. Кроме того, он предположил, что существует минимальное расстояние, которое может преодолеть электрон, и что он не может приблизиться к ядру.

Он не просто вытащил эти идеи из шляпы. Чуть более десяти лет назад немецкий физик Макс Планк предположил, что испускание излучения может быть «квантовано», что означает, что объект может поглощать или испускать излучение только дискретными порциями и не иметь никакого значения, которое ему нужно. Но наименьший размер этих дискретных кусков был константой, которая стала известна как постоянная Планка. До этого ученые думали, что такие излучения непрерывны, то есть частицы могут излучаться на любой частоте.

Постоянная Планка имеет те же единицы измерения, что и угловой момент или импульс объекта, движущегося по окружности. Итак, Бор применил эту идею к электронам, вращающимся вокруг ядра, заявив, что наименьшая возможная орбита электрона будет равна угловому моменту ровно одной постоянной Планка. Более высокие орбиты могут иметь вдвое большее значение, или втрое, или любое другое целое число, кратное постоянной Планка, но никогда ее часть (то есть не 1,3 или 2,6 и т.д.).

Потребовалось бы полное развитие квантовой механики, чтобы понять, почему у электронов такая минимальная орбита и четко определенные более высокие орбиты. Электроны, как и все материальные частицы, ведут себя и как частицы, и как волны. Хотя мы можем представить электрон как крошечную планету, вращающуюся вокруг ядра, мы можем так же легко представить его как волну, огибающую это ядро.

Электрон не может приблизиться к ядру, потому что его квантово-механическая природа не позволяет ему занимать меньше места.

Но есть совершенно другой способ исследовать ситуацию, который вообще не опирается на квантовую механику.

Просто посмотрите на все задействованные энергии. Электрон, вращающийся вокруг ядра, электрически притягивается к ядру. Но у электрона также есть кинетическая энергия, которая работает, чтобы отправить электрон в полет.

Для стабильного атома эти два состояния находятся в равновесии. На самом деле полная энергия электрона на орбите, представляющая собой комбинацию его кинетической и потенциальной энергий, отрицательна. Это означает, что вам нужно добавить энергию к атому, если вы хотите удалить электрон. Та же ситуация с планетами на орбитах вокруг Солнца. Чтобы удалить планету из Солнечной системы, вам нужно добавить в систему энергию.

Один из способов увидеть эту ситуацию — представить себе электрон, «падающий» на ядро, притягиваемый противоположным ему электрическим зарядом. Но из-за правил квантовой механики он никогда не сможет достичь ядра. Поэтому он застревает, вечно вращаясь по орбите. Но этот сценарий разрешен физикой, потому что полная энергия системы отрицательна, что означает, что она стабильна и связана вместе, образуя долговечный атом.

Общепринято считать, что законы классической физики не в состоянии объяснить устойчивость стационарных орбит в атомах [11]. По общим представлениям классической электродинамики электрон, движущийся в атоме по замкнутой круговой или эллиптической орбите, из-за наличия центростремительного ускорения должен излучать энергию в виде электромагнитных волн. Принято также считать, что это излучение должно привести к непрерывной потере энергии и, как следствие, к падению электрона на ядро. Рассмотрение только этой стороны процесса движения

электрона в атоме, действительно, не может обеспечить устойчивости атома и требует для объянения экспериментальных данных квантово-механических постулатов Бора по планетарной модели атома. На самом деле

подобное рассмотрение является неполным.

Более глубокий анализ данного явления показал, что обычной теории Максвелла – Лоренца с учетом законов сохранения энергии и механического момента вполне достаточно, чтобы установить факт невозможности излучения поперечных электромагнитных волн для электрона, находящегося на круговой или эллиптической орбите вокруг ядра, а также сформулировать те условия, при которых это излучение вполне возможно.

Величины напряженностей электрического E и магнитного H полей в дальней (волновой) зоне атома могут быть вычислены при помощи несложных расчетов, разработанных Фейнманом. При этом следует учесть, что фактически излучателем в атоме является не диполь Герца, а отдельно движущийся электрон, что подробно изложено в упомянутых выше работах Фейнмана. Но подробный расчет полей можно и не делать, а достаточно просто провести анализ выполнения известных законов сохранения в классической физике.

Кто знает, почему электроны не падают на ядро [12]?

Квантовая химия была для меня самым сложным экзаменом в университете. Из разряда «выучил и забыл», но я и выучил её так себе. Итого из курсов физики и общей химии я твёрдо запомнил, что: 1) атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются (или что они делают?) отрицательно заряженные электроны; 2) по закону Кулона разноимённые заряды притягиваются. Почему же тогда электроны не падают на ядро? А если падают, то когда? И вот я получил PhD, дожил до 36 лет, но у меня не было хорошего ответа на этот вопрос. Такого, чтобы убедил меня самого, и я бы мог им убеждать других. А ведь вопрос фундаментальнейший не только для физиков, но и для химиков и, рискну предположить, что для всех образованных людей.

Стал я искать ответ в интернете. Гугл и яндекс выдают пёстрый набор сайтов: от академических журналов до блогов на хабре. Все щеголяют ссылками на научные авторитеты, кроют заумными словами и двухэтажными формулами, а объяснение, почему же электроны не падают, у всех разное. «Что-то тут не так», – подумал я, и перед моими глазами сложилась следующая диаграмма объяснений с осями «правильно – неправильно» и «понятно – непонятно».

Ни одно объяснение не обходится без предисловия о модели Бора. Его руководитель Резерфорд предложил планетарную модель атома: электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Ведь форма закона Кулона (F = kq₁q₂ / r²) аналогична закону всемирного тяготения (F = Gm₁m₂ / r²). Но по законам электродинамики Максвелла заряженная частица, движущаяся с ускорением (а любое непрямолинейное движение требует ускорения), излучает электромагнитную энергию, и электрон, потеряв всю кинетическую энергию, упал бы на ядро за примерно 15 пикосекунд (триллионных долей секунды). А он, такой-сякой, не падает.

И в 1913 году датчанин Нильс Бор предположил: а что если электроны могут двигаться только по волшебным орбитам, на которых они не излучают? Это свойство не выводилось из положений и формул классической физики, а постулировалось без попыток ответить на вопрос «почему». Мы залезли внутрь атома, столкнулись с чудом, противоречащим нашей интуиции, и можем только подгонять математический аппарат для описания явленного чуда. И Бору в рамках своей модели удалось объяснить некоторые экспериментальные свойства одноэлектронных атомов.

Школьное объяснение часто на этом и заканчивается: была проблема, пришёл Бор и своим постулатом её снял. Слава квантовой механике! Её невозможно понять, её надо запомнить и сдать на экзамене. Но нейтральный одноэлектронный атом – это только водород (один протон + один электрон, если мы говорим о самом распространённом изотопе водороде-1 – протии). Для многоэлектронных атомов, начиная с атома гелия (гелий-4: ядро из двух протонов и двух нейтронов и два электрона), модель Бора ничего не могла предсказать. Было непонятно, как учесть взаимодействие электронов между собой.

Во время визита Нильса Бора в Москву Пётр Капица пошутил: «Каждый школьник знает, что атом Бора – это не атом бора, а атом водорода» (не знаю, как эту шутку, перевели на английский, в котором элемент номер 5 пишется “boron”, а фамилия физика – “Bohr”). И у тех, кто дошёл до этого места, сложится впечатление, что учёные сами так и не знают, почему электроны не падают на ядро. Постулат Бора оказался всего лишь моделью, приближённой, устаревшей и неправильной. И начинают как грибы после дождя плодиться лженаучные теории, на которые ведут верхние ссылки, если задать вопрос о падении электронов на яндексе или поискать ролики на ютубе.

Цитирую: «Электроны не падают на ядро атома, потому что их в атоме просто нет. И ядра как такового тоже нет». Ядерная физика буддизма: «Интенсивность элемента соединения (вода) тормозится элементом движения, поэтому электрон не падает на ядро, а вращается вокруг него». «Электрон в составе атома – волна, а значит не имеет массы. Нет массы нечему и падать». Кто-то вспоминает, что абсолютный нуль температуры (0 Кельвинов) недостижим, а потому электроны постоянно находятся в тепловом движении, которое не даёт им упасть на ядро. Другие рассказывают о «внутреннем потенциале» электрона, о котором не знают физики, зато знает наука под названием «экзоосмос». А креационисты прямо заявляют, что электроны держит бог: как волос не упадёт с головы человека без его воли, так и электроны не падают на ядро.

Философы же говорят, что мы суть существа, состоящие из стабильных атомов от мозга до кончиков ногтей, поэтому мы можем мыслить и экспериментировать только в такой Вселенной, где электроны на ядра не падают. Во вселенных, где электроны на ядра падают, невозможна биохимия, а потому нет и наблюдателей, чтобы лицезреть сиё падение. Это так называемый антропный принцип, которым можно объяснить очень многие физические величины и феномены вплоть до появления жизни.

У физиков к тому времени уже была более мощная модель, чем атом Бора, – уравнение Шрёдингера. В электрическом поле ядра электрон вместо занятия фиксированных орбит принимает только фиксированные значения энергии. В этих состояниях он не излучает и не теряет энергию. Электрон больше не рассматривается, как классический шарик с определённым радиусом, а как квантовая частица-волна – статичный «туман» вокруг ядра. У конкретного электрона нет фиксированного расстояния до ядра. Он существует везде, и мы можем рассчитать вероятность обнаружить его в любой точке Вселенной. Для атома водорода рисуют красивые функции-орбитали – математические решения уравнения Шрёдингера, которые показывают вероятностные электронные облака, соответствующие разным энергетическим уровням. (Решение уравнения Шрёдингера для многоэлектронных систем – отдельное развлечение, на котором основана вся квантовая химия).

Закон Кулона проявляется в том, что плотность вероятности экспоненциально уменьшается при удалении от ядра – всё-таки разноимённые заряды хотят быть поближе друг к другу. Но чем ближе к ядру, тем меньше объём: радиальное распределение вероятности – произведение плотности вероятности на объём слоя – имеет максимум, совпадающий с радиусом боровской орбиты. В атомном ядре, которое имеет маленький, но конечный объём, вероятность нахождения электрона мала, но никогда не нулевая (см. врезку справа на рисунке).

Получается, что шрёдингеровский электрон всегда частично находится в ядре. Можно ли сказать, что он уже упал на ядро? Что вообще значит «упасть на ядро» в применении к электрону? Он как мячик падает и отскакивает без изменений? Или как чашка: упадёт и разобьётся, перестав быть электроном? А, может, электрон – это бутерброд: упадёт и будет лежать, но его можно подобрать и съесть?

Итак, ответ на вопрос «Почему электроны не падают на ядро?», который меня устроил, таков: Квантовые системы не подчиняются классическому закону Кулона. С ненулевой вероятностью электрон может находиться где угодно, в том числе внутри атомного ядра, но за исключением некоторых специальных случаев, такая встреча электрона с протоном не имеет последствий.

Вы удовлетворены таким ответом? Или правильный ответ другой? Буду признателен, если укажете на мои ошибки. В моей голове физика всегда плохо укладывалась, и школьная программа с этим вопросом плохо справляется. Если после модели Бора не переходить сразу к уравнению Шрёдингера, то по-хорошему надо выкинуть из учебников эту историческую теорию, чтобы она не смущала юные умы и не плодила заявления, что учёные сами ничего не знают, не понимают и не могут объяснить, почему электроны не падают на ядро.

2.2. Выводы.

1. Как электроны продолжают вращаться вокруг ядра, никогда не замедляясь, откуда они берут энергию для вращения вокруг ядра атома? Этот вопрос будоражил умы в начале ХХ века, и поиски ответа в конечном итоге привели к созданию квантовой механики.

2. Заряженная частица, которая ускоряется, испускает электромагнитное излучение. А поскольку электроны — заряженные частицы, и они ускоряются на своих орбитах, то должны испускать излучение. Это излучение приведет к тому, что электроны потеряют энергию и быстро свернуться по спирали и столкнуться с ядром.

3. Знаменитый датский физик Нильс Бор был первым, кто предложил решение этой проблемы. В 1913 году он предположил, что электроны в атоме не могут иметь любую орбиту, какую захотят. Вместо этого они должны были быть привязаны к орбитам на очень определенных расстояниях от ядра. Кроме того, он предположил, что существует минимальное расстояние, которое может преодолеть электрон, и что он не может приблизиться к ядру.

4. Общепринято считать, что законы классической физики не в состоянии объяснить устойчивость стационарных орбит в атомах. По общим представлениям классической электродинамики электрон, движущийся в атоме по замкнутой круговой или эллиптической орбите, из-за наличия центростремительного ускорения должен излучать энергию в виде

электромагнитных волн.

5. Наличие орбитального механического момента электрона в атоме является главной причиной устойчивости классического планетарного атома. Поэтому устойчивыми в атоме будут не только круговые электронные орбиты, но также и эллиптические орбиты, несмотря на различного рода ускорения, которые испытывает электрон при своем движении.

6. Более мощная модель, чем атом Бора, – уравнение Шрёдингера. В электрическом поле ядра электрон вместо занятия фиксированных орбит принимает только фиксированные значения энергии. В этих состояниях он не излучает и не теряет энергию. Электрон больше не рассматривается, как классический шарик с определённым радиусом, а как квантовая частица-волна – статичный «туман» вокруг ядра.

7. Если после модели Бора не переходить сразу к уравнению Шрёдингера, то по-хорошему надо выкинуть из учебников эту историческую теорию, чтобы она не смущала юные умы и не плодила заявления, что учёные сами ничего не знают, не понимают и не могут объяснить, почему электроны не падают на ядро.

A3. Теория Бора – соблюдение условий электродинамики в строении атома.

3.1. Строение атома водорода согласно постулатам Бора

В 1912 году Нильс Бор уже был твердо убежден в том, что «...электронное строение атома Резерфорда управляется с помощью кванта действия» [13]. Но прошел еще год упорных размышлений, прежде чем он сформулировал свои знаменитые «постулаты Бора».

Как он должен был при этом рассуждать?

Рассуждал он примерно так: по законам механики, чтобы электрон в планетарном атоме Резерфорда не упал на ядро, он должен вокруг него вращаться. Но по законам электродинамики он обязан при этом излучать энергию и в конце концов все равно упасть на ядро. Нужно запретить ему падать на ядро.

В поисках разумного основания для этого несомненного факта Бор наткнулся на книгу Иоганна Штарка «Принципы атомной динамики» и там впервые увидел формулы Бальмера и Ридберга.

«Мне сразу все стало ясно, — вспоминает Бор. — И после многочисленных попыток использовать квантовые идеи в более строгой форме ранней весной 1913 года мне пришло в голову, что ключом к решению проблемы атомной устойчивости являются изумительно простые законы, определяющие оптический спектр элементов».

Теперь он мог сформулировать свои знаменитые постулаты:

1-й постулат — о стационарных состояниях. В атоме существуют орбиты, вращаясь по которым электрон не излучает.

2-й постулат — о квантовых скачках. Излучение происходит только при перескоке электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом частота излучения ν определяется гипотезой Эйнштейна о квантах света ΔЕ — hν, где ΔЕ — разность энергий уровней, между которыми происходит переход.

В атоме водорода при движении электрона с массой m и зарядом е вокруг ядра атома между скоростью электрона v на орбите и радиусом орбиты r существует аналогичная связь, которую можно записать в виде уравнения: (m v²/2) = (e²/r²).

Это уравнение верно всегда — независимо от того, излучает электрон или не излучает. Оно просто отражает известное равенство центростремительной и притягивающей сил.

Если электрон теряет энергию на излучение (по законам электродинамики), то он упадет на ядро, как спутник при торможении в атмосфере. Но если существуют особые — стационарные — орбиты, на которых он не подчиняется законам электродинамики и потому не излучает, то должны существовать также дополнительные условия, которые выделяют эти орбиты из набора всех возможных.

Это и есть то дополнительное условие Бора, которое выделяет стационарные орбиты (единственно допустимые в атоме) из бесконечного числа мыслимых. А поскольку при таком выделении основную роль играет квант действия h, то и весь процесс назвали квантованием.

Теория Бора объяснила: как свойства линейчатого спектра связаны с внутренним строением атома. Интуитивно эту связь чувствовали всегда. Но только Бору впервые удалось выразить ее математически. Оказалось, что искомую связь осуществляет постоянная Планка h.

Постулаты Бора (как и всякие постулаты) нельзя обосновывать логически или вывести из более простых. Они остаются произвольными творениями человеческого разума до тех пор, пока опыт не подтвердит следствий, которые из них вытекают. Тогда на их основе развиваются теории, а наиболее удачные из теорий называют законами природы.

Когда Джон Дальтон впервые в истории современной науки предложил атомную теорию строения вещества, атомы представлялись ему неделимыми, наподобие микроскопических бильярдных шаров [14]. Однако на протяжении всего XIX столетия становилось всё очевиднее, что такая модель неприемлема. Поворотной точкой стало открытие электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году, из которого следовало, что атом состоит из отдельных частиц — прямое свидетельство против его неделимости. Последним гвоздем в крышку гроба неделимого атома стало открытие в 1911 году атомного ядра. После этих открытий стало ясно, что атом не просто делим, но что он еще и обладает дискретной структурой: состоит из массивного, положительно заряженного центрального ядра и движущихся по орбитам вокруг него легких, отрицательно заряженных электронов.

Но с этой простой планетарной моделью атома тут же возникли проблемы. Прежде всего, согласно физическим законам того времени, такой атом не мог бы просуществовать дольше доли мгновения — на наше счастье, мы имеем все основания утверждать, что этот факт опытом не подтверждается. Аргументация была такова: в соответствии с законами механики Ньютона, электрон, находящийся на орбите, движется с ускорением. Следовательно, согласно уравнениям Максвелла, он должен излучать электромагнитные волны и, как следствие, терять энергию, и вскоре сойти с орбиты и упасть на ядро. Это стандартная задачка по физике для студентов-первокурсников, и любой из них легко докажет путем таких рассуждений, что планетарный атом не просуществует и секунды. Очевидно, что-то было не так в этой простой модели строения атома, раз реальные атомы, окружающие нас, просуществовали миллиарды лет.

Разрешить эту проблему и направить физиков по верному пути понимания атомной структуры удалось молодому датскому теоретику Нильсу Бору, недавно прибывшему на стажировку в Англию после защиты докторской диссертации у себя на родине. За отправную точку Бор принял новые постулаты квантовой механики, согласно которым на субатомном уровне энергия испускается исключительно порциями, которые получили название «кванты». Немецкий физик Макс Планк воспользовался положением о том, что атомы излучают свет отдельными частицами (позже Альберт Эйнштейн назвал их «фотоны»), для разрешения застарелой проблемы излучения черного тела. Используя концепцию фотонов, Альберт Эйнштейн теоретически объяснил фотоэлектрический эффект. За свои работы и Планк, и Эйнштейн получили по Нобелевской премии.

Бор развил квантовую теорию еще на шаг и применил ее к состоянию электронов на атомных орбитах. Говоря научным языком, он предположил, что угловой момент электрона квантуется. Далее он показал, что в этом случае электрон не может находиться на произвольном удалении от атомного ядра, а может быть лишь на ряде фиксированных орбит, получивших название «разрешенные орбиты». Электроны, находящиеся на таких орбитах, не могут излучать электромагнитные волны произвольной интенсивности и частоты, иначе им, скорее всего, пришлось бы перейти на более низкую, неразрешенную орбиту. Поэтому они и удерживаются на своей более высокой орбите, подобно самолету в аэропорту отправления, когда аэропорт назначения закрыт по причине нелетной погоды.

Однако электроны могут переходить на другую разрешенную орбиту. Как и большинство явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на другой, не пересекая пространства между ними. Этот эффект назвали «квантовым прыжком», или «квантовым скачком». Позже этот термин обрел широкую популярность и вошел в наш лексикон со значением «внезапное, стремительное улучшение» («Настоящий квантовый скачок в технологии производства наручных часов!»). Если электрон перескакивает на более низкую орбиту, он теряет энергию и, соответственно, испускает квант света — фотон фиксированной энергии с фиксированной длиной волны. На глаз мы различаем фотоны разных энергий по цвету — раскаленная на огне медная проволока светится синим, а натриевая лампа уличного освещения — желтым. Для перехода на более высокую орбиту электрон должен, соответственно, поглотить фотон.

В картине атома по Бору, таким образом, электроны переходят вниз и вверх по орбитам дискретными скачками — с одной разрешенной орбиты на другую, подобно тому, как мы поднимаемся и спускаемся по ступеням лестницы. Каждый скачок обязательно сопровождается испусканием или поглощением кванта энергии электромагнитного излучения, который мы называем фотоном.

Со временем интуитивная гипотеза Бора уступила место строгой систематической формулировке в рамках законов квантовой механики и, в частности, концепции двойственной природы элементарных частиц — корпускулярно-волновой. Сегодня электроны представляются нам не микроскопическими планетами, обращающимися вокруг атомного ядра, а волнами вероятности, плещущимися внутри своих орбит — подобно приливам и отливам в тороидальном бассейне — и подчиняющимися уравнению Шрёдингера. Современные физики, как само собой разумеющееся, рассчитывают характеристики этих волн для самых сложных по структуре атомов и используют их для объяснения свойств и поведения этих атомов. Однако основополагающую картину всей современной квантовой механики нарисовал в своем великом прозрении Нильс Бор — в далеком теперь 1913 году.

В 1913 году датский физик Нильс Бор попытался нарисовать наглядную картину: как может быть построен атом из положительного ядра и электронов и при каких условиях он излучает свет [15]. Физики называют такую наглядную картину моделью атома.

Задача была сложная. Модель должна была учесть новый, необычный характер внутриатомных законов, о которых нам говорят опыты с атомами. Модель должна была объяснить: 1) почему атомы устойчивы, несмотря на то, что и в невозбужденном атоме электроды движутся, 2) закон разности частот, излучаемых атомами, 3) закон поглощения и излучения энергии только квантами (порциями).

Легче всего начать строить модель с атома водорода как наиболее простого. У него имеется всего лишь один электрон. Бор предположил, что этот электрон в полном соответствии с законами классической механики обращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца, двигаясь по орбите. Но — и тут ученый вводит первое ограничение законов классической физики — орбита эта не произвольная, а вполне определенная. Ее радиус может быть точно вычислен. Это — орбита, «дозволенная» законами, действующими внутри атома. У электрона могут быть и другие орбиты, орбиты с большим радиусом, но тоже вполне определенные. На них электрон обращается, когда атомы водорода возбуждаются, захватывают энергию извне. Для удобства при дальнейших рассуждениях мы можем занумеровать эти орбиты, начиная с самой близкой к ядру: № 1, № 2, № 3 и т. д.

Двигаясь по какой-либо «дозволенной» орбите, электрон вовсе не излучает. В этом отношении электрон не подчиняется законам классической физики. Это — новое ограничение, которое вводит Бор, чтобы объяснить наблюдающиеся закономерности. А если электрон не излучает, то и энергия его не убывает.

Однако есть разница в состоянии электрона, когда он находится на орбите № 1 и когда он движется на более удаленных орбитах. В первом случае состояние электрона очень устойчивое. Он может как угодно долго двигаться по орбите № 1, с ним ничего не произойдет. На более удаленных орбитах состояние электрона неустойчиво: он продержится на них в среднем около одной стомиллионной доли секунды, а затем перескочит на одну из орбит, более близких к ядру, и в конце концов на орбиту № 1.

Бор утверждает: атом испускает свет только во время перескоков электронов с орбит более удаленных на орбиты более близкие к ядру. Оказалось, что частота света, излучаемого парами раскаленного водорода, определяется тем, с какой орбиты на какую перескакивают электроны в его атомах.

Перескоками электродов можно объяснить и тот факт, что разности между отдельными частотами тоже являются частотами излучения атомов.

Следует заметить, что при каждом отдельном перескоке электрона атом испускает излучение только одной частоты. Если же в спектре водорода мы наблюдаем излучения не одной, а нескольких частот, то это потому, что мы всегда наблюдаем результат действия не одного, а множества атомов. В одних атомах электроны перескакивают со второй орбиты на первую, в других — с третьей на вторую, с третьей на первую и т. д.

Такое же объяснение можно дать и частотам спектров других элементов.

Такова была модель атома, нарисованная Бором. Она была только первым шагом в изучении строения атома, так как не объясняла, почему электроны ведут себя в атоме так странно, в противоречии с установленными ранее законами. Она только указывала (да и то лишь в простейших случаях), как они себя ведут, в силу каких-то новых, еще не открытых законов, верных для мира малых величин. Эти законы были открыты не сразу. Они нашли освещение в новой науке — квантовой механике.

Модель Бора отображает то, что происходит в простых атомах, лишь в грубом приближении. А для сложных атомов она вовсе непригодна. Но в случаях, когда большая точность не требуется, физики пользуются этой моделью ввиду ее простоты.

В этой модели сохранятся не геометрические образы (орбиты электронов), а главные физические черты, подтвержденные экспериментом; а именно: возбужденные атомы находятся в различных энергетических состояниях, вполне определенных для атомов данного элемента; это энергетическое состояние атом может изменять только скачком, переходя при этом на более низкий энергетический уровень и испуская квант света (фотон) определенной частоты (и, следовательно, определенной энергии), в зависимости от того, какой из возможных переходов он при данных условиях совершает.

В основу своей теории Н. Бор положил несколько постулатов [16]:

1. Электроны могут двигаться вокруг ядра только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам.

2. Угловой момент количества движения электрона но кругу меняется скачкообразно.

3. При движении по стационарным орбитам электрон не поглощает и не излучает энергию.

4. При переходе с одной стационарной орбиты на другую, более близкую к ядру, электрон теряет квант энергии в виде светового излучения.

Теория Бора в своем первоначальном виде не смогла объяснить многие экспериментальные данные. Оказалось, например, что спектральные линии состоят из нескольких близко расположенных линий, расщепляются в электрическом поле (эффект Штарка), расщепляются в магнитном поле (эффект Зеемана).

В 1915 г. немецкий физик Арнольд Зоммерфельд предположил, что движение электрона в атоме происходит не только по круговым, но и по эллиптическим орбитам.

Бор связал электронные переходы со спектральными линиями атомарного водорода [17]. В 1913 году Нильс Бор опубликовал результаты длительных размышлений и расчетов, важнейшие из которых стали с тех пор именоваться постулатами Бора: в атоме всегда существует большое число устойчивых и строго определенных орбит, по которым электрон может мчаться бесконечно долго, ибо все силы, действующие на него, оказываются уравновешенными; электрон может переходить в атоме только с одной устойчивой орбиты на другую, столь же устойчивую. Если при таком переходе электрон удаляется от ядра, то необходимо сообщить ему извне некоторое количество энергии, равное разнице в энергетическом запасе электрона на верхней и нижней орбите. Если электрон приближается к ядру, то лишнюю энергию он «сбрасывает» в виде излучения...

Вероятно, постулаты Бора заняли бы скромное место среди ряда интересных объяснений новых физических фактов, добытых Резерфордом, если бы не одно немаловажное обстоятельство. Бор с помощью найденных им соотношений сумел рассчитать радиусы «разрешенных» орбит для электрона в атоме водорода. Зная разницу между энергиями электрона на этих орбитах, можно было построить кривую, описывающую спектр излучения водорода в различных возбужденных состояниях и определить, волны какой длины должен особенно охотно испускать атом водорода, если подводить к нему извне избыточную энергию, например, с помощью яркого света ртутной лампы. Эта теоретическая кривая полностью совпала со спектром излучения возбужденных атомов водорода, измеренным швейцарским ученым Я. Бальмером еще в 1885 году!

Атомный спектр испускания водорода представляет собой совокупность линий, среди которых можно различить три группы или серии. Серия линий, находящихся в ультрафиолетовой области, называется серией Лаймана. Серия, находящаяся в видимой области, – серия Бальмера, а в инфракрасной – серия Пашена.

Серии линий в спектре водорода названы именами открывших их ученых. Происхождение спектральных линий впервые объяснил Н. Бор.

Изначально предположение о строении атома носило планетарный характер лишь по той причине, что это было классическое представление о закономерностях движения тел [18]. Предложенная Эрнестом Резерфордом планетарная модель оказалась нежизнеспособной, и на смену ей пришли постулаты Бора.

1913 год был ознаменован работой датского физика Нильса Бора. Основываясь на наблюдениях и фактах, Бор заключил, что предыдущая модель строения атома была далека от действительности. Ученый стал основоположником новой теории строения атома, состоящей из трех постулатов.

Постулаты Бор применил для того, чтобы сформулировать теорию о строении атома водорода. Бор смог выделить несколько тезисов касательно атомов водорода, в том числе вычислил возможные радиусы орбит электрона и размеры атома, энергии стационарных состояний атома и частоты излучаемых и поглощаемых электромагнитных волн.

Однако постулаты Бора не были непогрешимыми: они с абсолютной точностью объясняли процессы водородных элементов, но были несостоятельны применительно к другим.

Первый постулат Бора, носящий название постулата стационарных состояний, гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных либо квантовых состояниях, каждому из которых соответствует некоторая энергия En. Когда атом находится в стационарном состоянии, электромагнитные волны атома отсутствуют.

Стоит отметить, что этот постулат противоречит не только планетарной модели атома, но и классической механике, согласно которой энергия движущегося по орбите электрона может быть любой. Постулат также идет вразрез с теорией Максвелла об электродинамике в том ключе, что предполагает возможность ускоренного движения электронов при отсутствии излучения электромагнитных волн.

Подобное стало возможно из-за системы энергетических уровней. Каждый из уровней соответствует определенному квантовому состоянию. Вращающийся вокруг ядра атома электрон обладает некоторой механической энергией. В стабильном состоянии атома механическая энергия электрона, который движется по замкнутой траектории вокруг ядра, отрицательная: E_n<0. При условии, что E_n ≥ 0, электрон начинает удаляться от ядра. Это явление называется ионизацией.

Второй постулат Бора звучит следующим образом: если атом переходит из стационарного состояния с большей энергией En в стационарное состояние с меньшей энергией Ek, то разность этих энергий может высвободиться в виде излучения. В таком случае излучается фотон с энергией: hv = En – Ek

Формулу также можно применять и в случае поглощения света. Как результат столкновения с фотоном атом переходит из состояния E_k в состояние с большей энергией E_n, в то время как фотон исчезает.

Частоту излучения фотона можно вычислить по формуле v_kn = (E_k – E_n) / h

А длину волны λ можно узнать, применив следующую формулу: λ_kn = hc / (E_k – E_n), где h — постоянная Планка, с — скорость света в вакууме.

Этот постулат также говорит и о том, что атом может излучить волны только тех частот, которые соответствуют разностям значений энергии разрешенного дискретного набора E₁, E₂, E₃, E_n, поэтому набор этих частот тоже является дискретным. В этом заключается причина того, что спектр излучения атомов составляют отдельно расположенные яркие линии.

Стоит отметить, что атом может поглотить не любой фотон, но лишь тот, чья энергия hv равна разности E_n – E_k двух разрешенных значений энергии E_n и E_k. При переходе в состояние с более высокой энергией E_k атомы поглощают такие фотоны, которые способны излучить при обратном переходе и изначальное состояние E_k.

Формулировка третьего постулата Бора следующая: момент импульса электрона, если атом находится в стационарном состоянии и вращается по круговым орбитам, имеет исключительно дискретные квантовые значения, кратные постоянной Планка.

Бор смог определить возможные радиусы орбит и значения энергии стационарных состояний, используя законы механики Ньютона и правило квантования.

3.2. Выводы.

1. В 1912 году Нильс Бор уже был твердо убежден в том, что «...электронное строение атома Резерфорда управляется с помощью кванта действия». Но прошел еще год упорных размышлений, прежде чем он сформулировал свои знаменитые «постулаты Бора».

2. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты:

2-й постулат — о квантовых скачках. Излучение происходит только при перескоке электрона с одной стационарной орбиты на другую.

3. Постулаты Бора (как и всякие постулаты) нельзя обосновывать логически или вывести из более простых. Они остаются произвольными творениями человеческого разума до тех пор, пока опыт не подтвердит следствий, которые из них вытекают. Тогда на их основе развиваются теории, а наиболее удачные из теорий называют законами природы.

4. С планетарной моделью атома тут же возникли проблемы. Согласно физическим законам того времени, такой атом не мог бы просуществовать дольше доли мгновения. В соответствии с законами механики Ньютона, электрон, находящийся на орбите, движется с ускорением. Следовательно, согласно уравнениям Максвелла, он должен излучать электромагнитные волны и, как следствие, терять энергию, и вскоре сойти с орбиты и упасть на ядро.

5. Электроны могут переходить на другую разрешенную орбиту. Как и большинство явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на другой, не пересекая пространства между ними. Этот эффект назвали «квантовым прыжком», или «квантовым скачком».

6. Если электрон перескакивает на более низкую орбиту, он теряет энергию и, соответственно, испускает квант света — фотон фиксированной энергии с фиксированной длиной волны. Для перехода на более высокую орбиту электрон должен, соответственно, поглотить фотон.

7. Со временем интуитивная гипотеза Бора уступила место строгой систематической формулировке в рамках законов квантовой механики и, в частности, концепции двойственной природы элементарных частиц — корпускулярно-волновой. Сегодня электроны представляются не микроскопическими планетами, обращающимися вокруг атомного ядра, а волнами вероятности, плещущимися внутри своих орбит — подобно приливам и отливам в тороидальном бассейне — и подчиняющимися уравнению Шрёдингера.

8. Современные физики, как само собой разумеющееся, рассчитывают характеристики этих волн для самых сложных по структуре атомов и используют их для объяснения свойств и поведения этих атомов. Однако основополагающую картину всей современной квантовой механики нарисовал в своем великом прозрении Нильс Бор — в далеком теперь 1913 году.

9. Датский физик Нильс Бор попытался нарисовать наглядную картину: как может быть построен атом из положительного ядра и электронов и при каких условиях он излучает свет. Физики называют такую наглядную картину моделью атома.

10. Модель атома должна была учесть новый, необычный характер внутриатомных законов и объяснить: 1) почему атомы устойчивы, несмотря на то, что и в невозбужденном атоме электроды движутся, 2) закон разности частот, излучаемых атомами, 3) закон поглощения и излучения энергии только квантами (порциями).

11. Бор вводит первое ограничение законов классической физики — орбита эта не произвольная, а вполне определенная. Ее радиус может быть точно вычислен. Это — орбита, «дозволенная» законами, действующими внутри атома. У электрона могут быть и другие орбиты, орбиты с большим радиусом, но тоже вполне определенные. На них электрон обращается, когда атомы водорода возбуждаются, захватывают энергию извне.

12. Двигаясь по какой-либо «дозволенной» орбите, электрон вовсе не излучает. В этом отношении электрон не подчиняется законам классической физики. Это — новое ограничение, которое вводит Бор, чтобы объяснить наблюдающиеся закономерности. А если электрон не излучает, то и энергия его не убывает.

13. Бор утверждает: атом испускает свет только во время перескоков электронов с орбит более удаленных на орбиты более близкие к ядру. Оказалось, что частота света, излучаемого парами раскаленного водорода, определяется тем, с какой орбиты на какую перескакивают электроны в его атомах.

14.В модели Бора сохранятся не геометрические образы (орбиты электронов), а главные физические черты, подтвержденные экспериментом; а именно: возбужденные атомы находятся в различных энергетических состояниях, вполне определенных для атомов данного элемента; это энергетическое состояние атом может изменять только скачком, переходя при этом на более низкий энергетический уровень и испуская квант света (фотон) определенной частоты (и, следовательно, определенной энергии), в зависимости от того, какой из возможных переходов он при данных условиях совершает.

15 Вероятно, постулаты Бора заняли бы скромное место среди ряда интересных объяснений новых физических фактов, добытых Резерфордом, если бы не одно немаловажное обстоятельство. Бор с помощью найденных им соотношений сумел рассчитать радиусы «разрешенных» орбит для электрона в атоме водорода.

16 Изначально предположение о строении атома носило планетарный характер лишь по той причине, что это было классическое представление о закономерностях движения тел. Предложенная Эрнестом Резерфордом планетарная модель оказалась нежизнеспособной, и на смену ей пришли постулаты Бора.

17 Постулаты Бор применил для того, чтобы сформулировать теорию о строении атома водорода. Бор смог выделить несколько тезисов касательно атомов водорода, в том числе вычислил возможные радиусы орбит электрона и размеры атома, энергии стационарных состояний атома и частоты излучаемых и поглощаемых электромагнитных волн.

18.Однако постулаты Бора не были непогрешимыми: они с абсолютной точностью объясняли процессы водородных элементов, но были несостоятельны применительно к другим.

19 Формулировка третьего постулата Бора следующая: момент импульса электрона, если атом находится в стационарном состоянии и вращается по круговым орбитам, имеет исключительно дискретные квантовые значения, кратные постоянной Планка. Бор смог определить возможные радиусы орбит и значения энергии стационарных состояний, используя законы механики Ньютона и правило квантования.

A4. Ересь постулатов Бора.

4.1. Критика теории Бора.

Постулаты Бора. В 1911 г. после проведения опытов по рассеянию альфа-частиц на атомах Резерфорд на основании анализа результатов эксперимента выдвинул и обосновал планетарную модель строения атома [19]. Согласно этой модели атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра очень малых размеров, вокруг которого по некоторым орбитам движутся электроны. Название "планетарная" у такой модели атома отражает очевидную аналогию атома с Солнечной системой, в которой планеты движутся по некоторым определенным орбитам вокруг массивного притягивающего центра - Солнца.

Однако, в отличие от планетарной модели Солнечной системы, планетарная модель атома оказывается внутренне противоречивой с точки зрения классической физики. И это, прежде всего, связано с наличием у электрона заряда.

Согласно законам классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон, как и любая ускоренно движущаяся заряженная частица, будет излучать электромагнитные волны. Спектр такого излучения должен быть непрерывным, то есть содержать электромагнитные волны с любой длиной волны. Уже этот вывод противоречит линейчатости спектров излучения атомов, наблюдаемой на опыте.

Кроме того, непрерывное излучение уменьшает энергию электрона. Поэтому, за счет излучения радиус орбиты движущегося электрона обязан уменьшаться, и, в конце концов, электрон должен упасть на ядро. Иными словами, планетарная модель атома в классической физике оказывается неустойчивой.

В 1913 г. Н.Бор показал, что "спасти" планетарную модель атома можно, вводя в теорию атома идеи квантования и выделяя при этом некоторые орбиты, разрешенные для движения электрона. Очевидно, что в правилах квантования должна фигурировать квантовая постоянная Планка. И так как квант действия имеет размерность момента импульса, то Бор добавляет в теорию условие квантования момента импульса движущегося вокруг ядра электрона.

Простейшим атомом является атом водорода, содержащий один единственный электрон, движущийся по замкнутой орбите в кулоновском поле ядра. В первом приближении ядро атома можно считать неподвижным, а электронные орбиты - круговыми орбитами.

При этих предположениях Бор сформулировал основные положения теории атома водорода в виде трех постулатов.

1. Электрон в атоме может двигаться только по определенным стационарным орбитам, каждой из которых можно приписать определенный номер. Такое движение соответствует стационарному состоянию атома с неизменной полной энергией. Это означает, что движущийся по стационарной замкнутой орбите электрон, вопреки законам классической электродинамики, не излучает энергии.

2. Разрешенными стационарными орбитами являются только те, для которых угловой момент импульса электрона равен целому кратному величины постоянной Планка.

3. Излучение или поглощение кванта излучения происходит при переходе атома из одного стационарного состояния в другое (рис. 5.4). При этом частота излучения атома определяется разностью энергий атома в двух стационарных состояниях, так что

Если атому сообщить дополнительную энергию, то он может перейти в возбужденное состояние. Электрон при этом переходит на орбиту большего радиуса. Возбуждение атомов может инициироваться различными способами, например, столкновением атомов газа в хаотическом тепловом движении, пропусканием через газ потока высокоэнергетических частиц (электронов, альфа-частиц и др.) и, наконец, поглощением атомами излучения.

Н.Бор в своей теории атома водорода впервые реализовал идею квантования энергии частицы, движущейся в силовом поле. Однако эта теория не может рассматриваться как законченная теория атомных явлений. Описывая атом законами классической физики, Бор просто "запретил" электрону, движущемуся по стационарной орбите, излучать электромагнитные волны. При этом условие квантования момента импульса электрона не имеет общего физического обоснования, и фактически, угадано, и угадано не совсем верно для атома водорода. Попытки Бора обобщить теорию и сформулировать постулаты квантования для более сложных атомов не увенчались успехом.

Теория квантов, глубоко проникшая почти во все области современной физики, переживает сейчас тяжелый кризис [20]. Эта теория, причудливо соединявшая в себе целый ряд положений электродинамики и Ньютоновой механики наряду с допущениями, которые находятся в явном противоречии с этими классическими основами физики, поражала всякого обилием блестящих побед, которые она с такой, казалось, легкостью одерживала вплоть до последнего времени. Победы эти заключались в установлении количественной связи между самыми разнообразными явлениями, на первый взгляд не имеющими между собой ничего общего. Удельная теплота какого-либо твердого тела, например, оказывается связана с его оптическими свойствами — спектрами поглощения. Основная величина в теории квантов или так называемая постоянная Планка h играет существенную роль в процессах, связанных с лучистой энергией, определяет строение атома и, наконец, выступает в количественных соотношениях, характеризующих самые разнообразные молекулярные процессы.

Если невязки в основных положениях теории, отсутствие каких-либо указаний, где именно законы классической физики должны быть дополнены и обобщены, а также и полное отсутствие ясных моделей, наглядно изображающих процессы, подчиняющиеся квантовым законам, порой и смущали кое-кого из физиков, не смешивающих физику с математикой, то все эти сомнения отступали на второй план благодаря новым и новым победам. Известно, ведь, победителей не судят!

Такое отношение к теории квантов вполне понятно и законно. Ведь, если мы нашли математические формулы, пусть физически еще не объясненные, но которые позволяют установить совершенно неожиданные связи между самыми, казалось бы, разнородными явлениями, и опыт эту связь подтверждает, то вполне естественно эти формулы заслуживают самого серьезного внимания. Но как раз именно здесь, на этой ступени, и начинается разногласие между исследователем-материалистом и махистом. Формальное математическое описание, — если оно удачно, как это имеет место в теории квантов, — в лучшем случае первая ступень, начало исследования. Настоящий физик-материалист должен стараться объяснить физический смысл непонятной ему формулы, и, если это ему не удастся, он должен постоянно напоминать: вот куда должны быть направлены все силы исследователей, надо же, наконец, разрешить загадку, постараться понять непонятное!

Для махиста формальное математическое описание и есть единственное содержание науки, всякая попытка объяснять явление отвергается, как «материалистическая метафизика». Так как учение о квантах чуть не каждый день выдвигало новые и новые соотношения, оправдывавшиеся на опыте, то, естественно, что исследователи в этой области шли по линии наименьшего сопротивления, не пытаясь решать основной задачи, не пытаясь наглядно физически объяснить себе, что же в самом деле представляют из себя эти «квантовые условия», из которых, как из сказочного рога изобилия, сыпались подтверждаемые на опыте выводы? Таким образом, создавалась благоприятная почва для махизма: найти объяснение уравнениям трудно — до сих пор никому не удалось, применяя же эти непонятные уравнения, мы получаем один за другим интереснейшие результаты! Зачем же ломать голову? Ведь, формальное математическое описание дает все, что нам нужно! Именно эти нотки сквозят в конце нобелевской речи Бора.

Но вот, с одной стороны, победы стали все реже и реже, а, с другой, все яснее и яснее стали выступать противоречия, с которыми никак нельзя было справиться с помощью имевшегося в распоряжении арсенала математических формул. Можно без всякого преувеличения сказать, что вчерашние победители окончательно потеряли голову, так как только люди, доведенные до полного отчаяния, могут договориться до того, что единственный выход из накопившихся противоречий — это «телеологическое преобразование понятия причинности» и «отказ от установившегося в естествознании пространственно временного описания»!

Бор в 1913 году построил модель атома водорода, состоящую из центрального положительно заряженного ядра и одного электрона, вращающегося вокруг ядра по одной из так называемых «устойчивых» орбит, для нахождения которых Бор указал определенные правила.

Во всей модели Бора физически непонятно, почему указанные Бором, как «устойчивые», орбиты действительно устойчивы. Неясно, почему электрон при движении по устойчивой орбите не излучает. И, наконец, неясно, какими причинами вызывается прыжок электрона, и почему в одних, случаях электрон попадает на вторую орбиту, в других — на первую или на третью? Объяснить это Бор не мог, и потому он в этом случае ограничился «математическим описанием». Он дал «правило», по которому можно находить «устойчивые» орбиты; для этих орбит обычным «классическим» способом вычисляется энергия на основании конкретной модели атома — неизвестно только, почему эти орбиты устойчивы.

Как бы то ни было, но спектр водорода и ионизованного атома гелия оказался изученным во всех деталях: малейшие детали оказались предусмотренными той системой уравнений, которые были установлены Бором. Но, ведь, научная мысль не стоит. Вслед за решенными задачами возникают новые, и вот тут-то оказалось, что теория в некоторых отношениях бессильна. Она не может ответить на вопрос, сколько времени длится прыжок электрона с орбиты на орбиту? Может ли дать уравнение Бора ответ на этот вопрос? Ясно, что нет.

Послушаем, как подходят к этому вопросу крупнейшие авторитеты в области теории квантов. Зоммерфельд в своей речи на съезде естествоиспытателей и врачей в Инсбруке (21 — 27 сентября 1924 г.) по поводу того, что излучение определяется не только начальным, но и конечным состоянием атома, говорит следующие знаменательные слова: «Это до известной степени противоречит усвоенному нами чувству причинности, в согласии с которым мы полагаем, что течение процесса уже определено начальными данными. Мне кажется возможным, что наш опыт в области квантов в этом отношении может изменить наши представления. Уже часто указывали, что условие излучения по Бору предполагает, что атом заранее знает, в каком он окажется состоянии, и только тогда он может излучать. В этом случае так же, как и в принципе наименьшего действия, мы становимся на телеологическую, а не на причинную точку зрения. Такая телеологическая перестройка понятия причинности, кажется мне, в меньшей степени противоречит теории квантов, чем классической теории»

А вот что по тому же поводу за несколько месяцев перед тем было написано в коллективной статье Бора, Крамерса и Слэтера. Эта статья послужила, между прочим, темой для дискуссии на съезде физиков в Ленинграде. «Хотя закон соответствия дает возможность на основании подсчета вероятности перехода из одного устойчивого состояния в другое делать заключения о средней продолжительности промежутка времени, в течение которого атом находится в данном стационарном состоянии, однако перед нами встают громадные трудности при решении задачи о промежутке времени, в течение которого происходит излучение, соединенное с переходом. Действительно, вместе с другими хорошо известными парадоксами теории квантов упомянутое затруднение подкрепляло сомнения, высказывавшиеся с разных сторон: может ли вообще детальное истолкование взаимодействия материи и лучистой энергии быть выражено причинным описанием в пространстве и по времени того типа, как это употреблялось до сих пор для истолкования естественных явлений».

Дальше уже идти, кажется, некуда!

Пишущему эти строки пришлось высказаться по поводу теории атома Бора ["Под Знаменем Марксизма" 1923 г.] и указать, что нам в настоящее время еще неизвестны те непрерывные процессы, которые приводят к скачкам, т.е. к перескакиванию электрона с одной устойчивой орбиты на другую. Весьма возможно, что эти неизвестные нам пока процессы в конечном счете и определяют, на какую орбиту данный электрон перепрыгнет, так что весь процесс излучения определяется предшествующей «историей» электрона.

Одно из самых крупных противоречий в первой теории Бора заключается в том, что электрон, вращающийся по замкнутой орбите — одной из так называемых устойчивых орбит, совершенно не излучает энергии, тогда как по классической электродинамике он должен бы излучать электромагнитные волны. Как разрешает это противоречие Бор? Он отказывается от прежнего своего толкования и утверждает: электрон излучает, согласно требованиям классической электродинамики, но излучает волны, энергия которых... равна нулю!

Все остается по-старому, только... только волны лишаются энергии!

Таким образом, по новой теории Бора, всем возможным перескакиваниям электрона с одной орбиты на другую прежней модели соответствует излучение, лишенное энергии, но протекающее согласно формулам классической электродинамики и вызываемое виртуальными электронами, находящимися в очень большом числе в атоме. Обмен же энергией и количеством движения происходит независимым от волн способом.

Перед нами довольно жуткая картина: выдающиеся ученые, к словам которых еще вчера прислушивался весь ученый мир нашей планеты, проповедуют безудержный формализм, заявляют, что формулы, физического смысла которых они не понимают и которого, по их мнению, даже искать нельзя, — есть окончательное и бесповоротное откровение самой природы, призывающее нас к телеологическим «объяснениям» и к отказу от закона причинности!

После того, как в начале XX-го века экспериментально установили, что атом не является элементарной частицей, было предпринято немало попыток создать его физическую модель [21]. Однако дело оказалось столь сложным, что физическая наука была вынуждена отказаться от физической модели, заменив ее моделью математической – очень сложным математическим аппаратом волновой механики.

Построить верную модель атома нельзя, не зная, прежде всего сущности энергии, процесса обмена энергией между телами естественным путём в природе и в технике. Только имея теории излучения нагретых тел, поглощения энергии более холодными телами, теорию света, электрического тока, радиоволн можно приступать к моделированию атома. Никакая теория с тысячью формул не нужна, если она не может объяснить физических процессов.

Однако современная математическая модель атома неспособна объяснить физики процессов всего комплекса вопросов, связанных с поглощением и излучением энергии. Камнем преткновения в создании модели строения атома было представление, что при ускоренном движении электрон должен упасть на ядро. Теоретическая физика не может ответить на вопрос: почему электрон не излучает?

Прежде, чем ответить на этот вопрос строения атома, надо иметь представление об обратимом процессе излучение – поглощение. Необходимо разобраться с вопросом, что такое теплота, как и чем Землю согревает Солнце, понять процесс термического расширения физических объектов и их перехода в различные состояния в зависимости от внешних условий, и теория строения и функций атома откроется сама собой.

На пути создания теории строения атома модель Резерфорда была последним этапом истины. Далее приоритет был отдан выдумкам, к которым слишком склонны физики-теоретики. С кванта в теории строения атома Бора теоретическая физика оторвалась от реальности и стала рассказывать нобелевские сказки о строении атома. Теоретическая физика заблудилась на пути своего развития и зашла в глухой тупик, из которого нет выхода.

В работе [22] предлагается тест на истину теории строения атома.

Любая теория строения атома, любая гипотеза строения атома, любое представление о строении атома, которые не предлагают физики процесса перехода потенциальной энергии атома в кинетическую энергию посредством излучения электромагнитной волны и приёма атомом кинетической энергии в виде электромагнитной волны и превращение её в потенциальную энергию атома являются околонаучной беллетристикой. Такая теория уводит теоретическую физику на ложный путь, особенно, если авторами псевдонаучных измышлений становятся лауреаты Нобелевских премий.

Теория строения атома водорода по Бору не предлагает такого механизма, поэтому она относится к категории околонаучной беллетристики.

4.2. Кванты и фотоны – призраки теоретической физики.

Альтернативные теория энергии вещества и теория передачи и приёма энергии в физических объектах и между ними показали, что энергию заготовить впрок, собрать её в квант, невозможно [23]. Планк безосновательно и бездоказательно провозгласил способ передачи энергии квантами, но не указал физику процесса получения кванта и способ передачи кванта другому физическому объекту. Если не предложена физика процесса любого физического явления, нет и самого явления, которое является вымыслом.

Итак, если в природе не существует квантов и фотонов, не может существовать и квантовой физики, любимой игрушки физиков, которая является фантомом теоретической физики.

4.3. Выводы.

1. Н.Бор в своей теории атома водорода впервые реализовал идею квантования энергии частицы, движущейся в силовом поле. Однако эта теория не может рассматриваться как законченная теория атомных явлений. Описывая атом законами классической физики, Бор просто "запретил" электрону, движущемуся по стационарной орбите, излучать электромагнитные волны.

2. В теории Бора условие квантования момента импульса электрона не имеет общего физического обоснования, и фактически, угадано, и угадано не совсем верно для атома водорода. Попытки Бора обобщить теорию и сформулировать постулаты квантования для более сложных атомов не увенчались успехом.

3. В модели Бора физически непонятно, почему указанные Бором, как «устойчивые», орбиты действительно устойчивы. Неясно, почему электрон при движении по устойчивой орбите не излучает. И, наконец, неясно, какими причинами вызывается прыжок электрона, и почему в одних, случаях электрон попадает на вторую орбиту, в других — на первую или на третью? Объяснить это Бор не мог, и потому он в этом случае ограничился «математическим описанием».

4. Бор дал «правило», по которому можно находить «устойчивые» орбиты; для этих орбит обычным «классическим» способом вычисляется энергия на основании конкретной модели атома — неизвестно только, почему эти орбиты устойчивы.

5. Вслед за решенными задачами возникают новые, но тут оказалось, что теория в некоторых отношениях бессильна. Она не может ответить на вопрос, сколько времени длится прыжок электрона с орбиты на орбиту? Может ли дать уравнение Бора ответ на этот вопрос? Ясно, что нет.

6. Одно из самых крупных противоречий в первой теории Бора заключается в том, что электрон, вращающийся по замкнутой орбите — одной из так называемых устойчивых орбит, совершенно не излучает энергии, тогда как по классической электродинамике он должен бы излучать электромагнитные волны. Как разрешает это противоречие Бор? Он отказывается от прежнего своего толкования и утверждает: электрон излучает, согласно требованиям классической электродинамики, но излучает волны, энергия которых... равна нулю.

7. В теоретической физике сложилась довольно жуткая картина: выдающиеся ученые, к словам которых еще вчера прислушивался весь ученый мир нашей планеты, проповедуют безудержный формализм. Они заявляют, что формулы, физического смысла которых сами не понимают и которого, по их мнению, даже искать нельзя, — есть окончательное и бесповоротное откровение самой природы, призывающее нас к телеологическим «объяснениям» и к отказу от закона причинности.

8. На пути создания теории строения атома модель Резерфорда была последним этапом истины. Далее приоритет был отдан выдумкам, к которым слишком склонны физики-теоретики. С кванта в теории строения атома Бора теоретическая физика оторвалась от реальности и стала рассказывать нобелевские сказки о строении атома. Теоретическая физика заблудилась на пути своего развития и зашла в глухой тупик, из которого нет выхода.

9. Кванты и фотоны не существуют в природе и являются вымыслом теоретической физики.

10. В связи с отсутствием в природе квантов, не имеет права на существование квантовая физика, которая является фантомом теоретической физики. Вся квантовая механика – ложная наука, которая не требует, как сказка, обоснование тезиса.

11. Бором не описана физика процесса образования кванта энергии.

12. Теория строения атома водорода по Бору не предлагает механизма перехода потенциальной энергии атома в кинетическую энергию посредством излучения электромагнитной волны и приёма атомом кинетической энергии в виде электромагнитной волны и превращение её в потенциальную энергию атома, поэтому она относится к категории околонаучной беллетристики.

13. Постулаты Бора – беззаконие, возведённое в ранг закономерности, простыми словами – беспочвенная выдумка или ересь.

A5. Заблуждение теоретической физики по круговому движению электронов [21].

5.1. Теория строения атома должна ответить на следующие вопросы:

1. Почему электрон вращается вокруг ядра?

2. Почему электрон вращается вокруг собственной оси?

3. Почему ядро атома вращается вокруг собственной оси?

4. Какая функция электрона в атоме?

5. Почему электроны имеют универсальное строение во всём материальном мире?

6. Какая функция ядра в атоме?

5.2. Продолжим всматриваться в небо.

Человечество всегда интересовало устройство окружающего мира и строение материи. Важным этапом в развитии теории строения атома было понимание Э.Резерфордом глубинной связи единства мира в плюс бесконечности и минус бесконечности. Когда Э.Резерфорд, образно говоря, посмотрел в бинокль через окуляр, а потом через объектив, и увидел микромир, ему стало понятно устройство атома. Великой догадкой Резерфорда о единстве микромира и космоса стала планетарная модель строения атома и открытие ядра, вокруг которого вращались электроны Д.Томпсона. Это были открытия чрезвычайной важности, которые требовали дальнейшего совершенствования, чтобы на основе строения элементов атома – ядра и электронов понять великую сущность и мудрость природы.

Дальнейшее развитие теории строения атома также требует пристального взгляда в небеса. Ещё великий М.В.Ломоносов знал, что всё в природе движется, имеет вращательное движение. Большой интерес представляет, почему планеты Солнечной системы находятся в стабильно неизменном вращении вокруг Солнца, почему почти все небесные объекты вращаются вокруг собственной оси? Гипотетическое представление физической сущности этих вопросов позволит перенести их аналогию на строение атома. Аналогия – важный и необходимый путь познания окружающего мира.

Продолжим смотреть в небеса, чтобы увидеть их отражение в микромире. Солнечная система включает в себя, помимо Земли, ещё семь планет. Солнце сосредоточило в себе 99,866% всей массы Солнечной системы.

Именно поэтому Солнце удерживает гравитацией все объекты Солнечной системы, размеры которой не менее шестидесяти миллиардов километров. Почти все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, совпадающем с направлением осевого вращения Солнца, и в том же направлении они обращаются вокруг своей оси. Орбиты планет практически круговые, их плоскости мало наклонены к плоскости орбиты Земли. Почти все спутники планет обращаются в том же направлении, что и планеты вокруг Солнца. Это направление называется прямым – против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса мира.

Гравитационным двигателем в Солнечной системе является Солнце. Гравитационное поле Солнца является силовой основой динамики движения планет.

Каждая материальная частица небесного тела является источником гравитационного поля, результирующее поле жестко связано с телом и участвует в его вращении вокруг центра масс как одно целое. Это означает, что гравитационное поле не только охватывает значительное пространство вокруг тела, но и вращается вместе с телом, увлекая за собой все другие внешние взаимодействующие материальные объекты.

5.3. Уроки космоса.

1. Солнце удерживает гравитацией все объекты Солнечной системы, потому что сосредоточило в себе 99,866% всей её массы.

2. Планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, совпадающем с направлением осевого вращения Солнца.

3. Планеты обращаются вокруг своей оси в направлении осевого вращения Солнца.

4. Орбиты планет практически круговые.

5. Почти все спутники планет обращаются в том же направлении, что и планеты вокруг Солнца.

6. Гравитационным двигателем в Солнечной системе является Солнце. Гравитационное поле Солнца – силовая основа динамики движения планет.

7. Небесные тела являются источником вращающего гравитационного поля, результирующее поле жестко связано с телом и участвует в его вращении вокруг центра масс как одно целое, увлекая за собой все другие внешние взаимодействующие материальные объекты.

5.4. Заключение

Если кратко подытожить уроки космоса и провести аналогию с планетарной моделью атома, следует отметить, что силовое поле Солнца – вселенское физическое поле, которое расставило по местам все астрономические объекты и прокладывает пути кометам. Причина обращения небесных тел вокруг Солнца – вращающее силовое поле Солнца. Вращение планет обеспечивается их собственными вращающими магнитными полями.

Подобным образом устроено гравитационное силовое поле Земли, которое ведёт по орбитам искусственные спутники. Следует полагать, что аналогичным образом функционирует и силовое поле ядра атома. Электроны атома движутся вокруг ядра аналогично космическим кораблям, ведомым вращающим полем Земли и сами обращаются вокруг собственной оси.

A6. Строение атома [21].

После того, как в начале XX-го века экспериментально установили, что атом не является элементарной частицей, было предпринято немало попыток создать его физическую модель. Однако дело оказалось столь сложным, что физическая наука была вынуждена отказаться от физической модели, заменив ее моделью математической – очень сложным математическим аппаратом волновой механики.

6.1. Вращательные движения в атоме.

Ещё в 1824году французский физик Доминик Араго открыл магнетизм вращения: подвешенный на нити медный диск начинает вращаться, если вращать под ним постоянный магнит. Диск увлекается вращающимся магнитным полем, которое одновременно является вращающим.

В 1888 г. итальянский физик Галилео Феррарис и югославский изобретатель Никола Тесла открыли явление вращающегося электромагнитного поля. Но вращающееся электромагнитное поле было и вращающим. На его основе Тесла сконструировал первый в истории двухфазный асинхронный двигатель.

Все материальные тела небесной сферы и микромира вращаются. Ещё великий Ломоносов предвидел, что всё должно вращаться. Как в Солнечной системе вращается Солнце и планеты, так и в атоме ядро и электроны вращаются. Солнце, Земля, ядро атома, электроны вращаются за счёт собственного силового поля. Вращающееся ядро атома имеет электромагнитное поле, которое одновременно является вращающим. Причина движения небесных тел – крутящее электромагнитное поле Солнца. Причина движения электронов вокруг ядра – крутящее электромагнитное поле ядра. Поле ядра поддерживает движение и расставляет электроны по местам, так же, как и небесные тела расставляет по местам и ведёт гравитационное поле Солнца.

Все электроны атома вращаются по круговым орбитам, плоскости которых проходят через ядро. Вращение электрона вокруг собственной оси осуществляется его электромагнитным полем.

6.2. Функция электрона в атоме.

Каждый знает, если протопить печь, в доме становится тепло. Как же происходит обмен теплом между нагретыми и холодными телами? Если такой процесс происходит, в телах должен быть механизм передачи энергии. Элементарной частицей любого тела является атом, в атоме и нужно искать такой механизм.

Как происходит процесс приёма и передачи энергии между физическими объектами? Самыми подвижными элементами атома являются электроны. Если тело может поглощать энергию и излучать её, в атоме должно быть устройство, обеспечивающее эти процессы. Подсказку даёт система генерации и передачи радиоволн: электроны атома должны быть колебательным контуром по приёму и передаче электромагнитного излучения.

Электрон универсален, колебательный контур электрона может быть поочерёдно передатчиком и приёмником электромагнитного излучения. Электрон – корпускула, обладающая свойствами излучать и принимать электромагнитные волны. Электромагнитная модель электрона – передающий генератор и радиоприёмник. Каждый электрон горячего тела – осциллятор (генератор электромагнитных колебаний). Каждый электрон холодного тела – резонатор (приёмник колебаний). Электрон одновременно поглощать и излучать энергию не может, идёт цикл поглощения и цикл излучения. В электроне один колебательный контур, который попеременно работает как осциллятор или резонатор.

Угловая скорость вращения электронов на всех орбитах атома постоянная, а окружные скорости зависят от радиуса орбиты и изменяются от минимума до максимума на каждом обороте электрона. Окружная скорость электронов у различных химических элементов всегда постоянная и равная. Если б было иначе, обмен энергией между физическими объектами был бы невозможен. Абсолютно все электроны Вселенной имеют идентичное устройство, колебательный контур их настроен на одну волну передачи-приёма энергии.

6.3. Функция ядра в атоме.

Ядро атома находится в непрерывном вращении. Движущийся электрический заряд образует электромагнитное поле, вращающееся ядро атома создаёт вращающее электромагнитное поле.

Как магнитное поле Солнца вращает планеты Солнечной системы, так вращающее электромагнитное поле ядра расставляет и ведёт электроны по орбитам, которые располагаются на силовых линиях и вращаются вокруг ядра вместе с полем. Вращающее электромагнитное поле атома образуют протоны ядра, каждый протон – одну группу силовых линий. Электрон движется по круговой орбите на своей силовой линии поля с более ярко выраженной напряженностью. Все электроны имеют одинаковую круговую скорость, соответствующую скорости вращения электромагнитного поля ядра, и одинаковое направление вращения. Электроны занимают места на своих орбитах по принципу минимума потенциальной энергии атома, в этом случае атом будет устойчивым. Электроны располагаются по всей сфере электромагнитного поля, образованного ядром.

Ядро атома реагирует на внешние условия: на каждом обороте ядра изменяется мощность вращающего электромагнитного поля. Во время поглощения энергии мощность электромагнитного поля увеличивается, и силовые линии удаляются от ядра. Соответственно, при излучении энергии мощность электромагнитного поля уменьшается, и силовые линии приближаются к ядру.

6.4. Итоги. Модель строения атома.

Когда физические объекты находятся в каком-то замкнутом пространстве (например, в комнате) и между ними нет обмена теплом, атомы в них находятся в стабильном состоянии. В атомах нет процессов излучения или поглощения энергии, ядра атомов вращаются с постоянной угловой скоростью, электроны вращаются на орбитах, соответствующих температуре пространства. Подведём итоги и рассмотрим строение атома в стабильном состоянии.

1. Атом состоит из ядра и электронов, которые вращаются вокруг ядра.

2. Ядро и электроны атома вращаются вокруг оси за счёт собственного вращающегося электромагнитного поля, которое одновременно является вращающим.

3. Электроны вращаются вокруг ядра вращающим электромагнитным полем ядра.

4. Электромагнитное поле ядра расставляет электроны по местам и поддерживает их движение.

5. Все электроны атома вращаются по круговым орбитам, плоскости которых проходят через ядро.

6. Электроны атома являются колебательным контуром по приёму и передаче электромагнитного излучения.

7. Электрон универсален, его колебательный контур поочерёдно может быть передатчиком и приёмником электромагнитного излучения.

8. Угловая скорость вращения электронов на всех орбитах атома постоянная.

9. Окружные скорости зависят от радиуса орбиты и изменяются от минимума до максимума на каждом обороте электрона.

10. Окружная скорость электронов у различных химических элементов всегда постоянная и равная.

11. Абсолютно все электроны Вселенной имеют идентичное устройство, колебательный контур их настроен на одну волну передачи-приёма энергии.

12. Орбиты электронов располагаются на силовых линиях вращающего электромагнитного поля ядра.

13. Вращающее электромагнитное поле атома образуют протоны ядра, каждый протон – одну группу силовых линий.

14. Электрон движется по круговой орбите на своей силовой линии поля с более ярко выраженной напряженностью.

15. Все электроны атома имеют одинаковое направление вращения.

16. Электроны занимают места на своих орбитах по принципу минимума потенциальной энергии атома.

17. Электроны располагаются по всей сфере электромагнитного поля, образованного ядром.

18. На каждом обороте ядра изменяется мощность вращающего электромагнитного поля.

19. Во время поглощения энергии мощность электромагнитного поля увеличивается, и силовые линии удаляются от ядра, при излучении энергии мощность электромагнитного поля уменьшается, и силовые линии приближаются к ядру.

Но, когда в пространстве, в котором находятся физические объекты, появляется градиент температур (например, затопили печь), все атомы пространства приступают к излучению – поглощению энергии: переходят в мобильное состояние.

A7. Кардинальные отличия движущегося тела от двигаемого тела.

Ядро и электроны атома вращаются вокруг оси за счёт собственного вращающегося электромагнитного поля, которое одновременно является вращающим. Электроны вращаются вокруг ядра вращающим электромагнитным полем ядра. Все электроны атома вращаются по круговым орбитам, плоскости которых проходят через ядро. Угловая скорость вращения электронов на всех орбитах атома постоянная. Окружные скорости зависят от радиуса орбиты и изменяются от минимума до максимума на каждом обороте электрона. Орбиты электронов располагаются на силовых линиях вращающего электромагнитного поля ядра. Вращающее электромагнитное поле атома образуют протоны ядра, каждый протон – одну группу силовых линий.

Опасения физиков-теоретиков, что движущийся по круговой орбите электрон упадёт на ядро, совершенно напрасны. Ещё не было электродинамики, не было человека, а электроны в атомах успешно двигались вокруг ядер. Менялись времена, появились физики-теоретики, а вместе сними и теоретические проблемы. Электрон вращается вокруг ядра, но электрон – не движущаяся частица, а частица, движимая магнитным полем ядра. Пока есть постоянная движущая сила, заряженный или незаряженный объект будет бесконечно двигаться по круговой орбите, не излучая энергии.

Если электродинамика не в состоянии описать явление природы, надо электродинамику приводить в соответствие с природой, а не природу подгонять под электродинамику.

A8. Общие выводы.

1. Недостатком планетарной модели была невозможность объяснения в ней устойчивости атомов. Электроны движутся вокруг ядра, испытывая при этом центростремительное ускорение, по законам классической электродинамики должны излучать электромагнитные волны, теряя при этом на излучение кинетическую энергию орбитального движения и в результате «упасть» на ядро.

2. Согласно теории Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Поскольку электроны, вращаясь вокруг ядра, движутся с центростремительным ускорением, они должны непрерывно излучать электромагнитные волны. На самом же деле в нормальном состоянии атомы не излучают!

3. Как электроны продолжают вращаться вокруг ядра, никогда не замедляясь, откуда они берут энергию для вращения вокруг ядра атома? Этот вопрос будоражил умы в начале ХХ века, и поиски ответа в конечном итоге привели к созданию квантовой механики.

4. Знаменитый датский физик Нильс Бор был первым, кто предложил решение этой проблемы. В 1913 году он предположил, что электроны в атоме не могут иметь любую орбиту, какую захотят. Вместо этого они должны были быть привязаны к орбитам на очень определенных расстояниях от ядра. Кроме того, он предположил, что существует минимальное расстояние, которое может преодолеть электрон, и что он не может приблизиться к ядру.

5. В 1912 году Нильс Бор уже был твердо убежден в том, что «...электронное строение атома Резерфорда управляется с помощью кванта действия». Но прошел еще год упорных размышлений, прежде чем он сформулировал свои знаменитые «постулаты Бора».

6. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты:

7. Постулаты Бора (как и всякие постулаты) нельзя обосновывать логически или вывести из более простых. Они остаются произвольными творениями человеческого разума до тех пор, пока опыт не подтвердит следствий, которые из них вытекают. Тогда на их основе развиваются теории, а наиболее удачные из теорий называют законами природы.

8. Электроны могут переходить на другую разрешенную орбиту. Как и большинство явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на другой, не пересекая пространства между ними. Этот эффект назвали «квантовым прыжком», или «квантовым скачком».

9. Современные физики, как само собой разумеющееся, рассчитывают характеристики этих волн для самых сложных по структуре атомов и используют их для объяснения свойств и поведения этих атомов. Однако основополагающую картину всей современной квантовой механики нарисовал в своем великом прозрении Нильс Бор — в далеком теперь 1913 году.

10. В модели Бора сохранятся не геометрические образы (орбиты электронов), а главные физические черты, подтвержденные экспериментом; а именно: возбужденные атомы находятся в различных энергетических состояниях, вполне определенных для атомов данного элемента; это энергетическое состояние атом может изменять только скачком, переходя при этом на более низкий энергетический уровень и испуская квант света (фотон) определенной частоты (и, следовательно, определенной энергии), в зависимости от того, какой из возможных переходов он при данных условиях совершает.

11. Н.Бор в своей теории атома водорода впервые реализовал идею квантования энергии частицы, движущейся в силовом поле. Однако эта теория не может рассматриваться как законченная теория атомных явлений. Описывая атом законами классической физики, Бор просто "запретил" электрону, движущемуся по стационарной орбите, излучать электромагнитные волны.

12. В модели Бора физически непонятно, почему указанные Бором, как «устойчивые», орбиты действительно устойчивы. Неясно, почему электрон при движении по устойчивой орбите не излучает. И, наконец, неясно, какими причинами вызывается прыжок электрона, и почему в одних, случаях электрон попадает на вторую орбиту, в других — на первую или на третью? Объяснить это Бор не мог, и потому он в этом случае ограничился «математическим описанием».

13. Одно из самых крупных противоречий в первой теории Бора заключается в том, что электрон, вращающийся по замкнутой орбите — одной из так называемых устойчивых орбит, совершенно не излучает энергии, тогда как по классической электродинамике он должен бы излучать электромагнитные волны. Как разрешает это противоречие Бор? Он отказывается от прежнего своего толкования и утверждает: электрон излучает, согласно требованиям классической электродинамики, но излучает волны, энергия которых... равна нулю.

14. На пути создания теории строения атома модель Резерфорда была последним этапом истины. Далее приоритет был отдан выдумкам, к которым слишком склонны физики-теоретики. С кванта в теории строения атома Бора теоретическая физика оторвалась от реальности и стала рассказывать нобелевские сказки о строении атома. Теоретическая физика заблудилась на пути своего развития и зашла в глухой тупик, из которого нет выхода.

15. Теория строения атома водорода по Бору не предлагает механизма перехода потенциальной энергии атома в кинетическую энергию посредством излучения электромагнитной волны и приёма атомом кинетической энергии в виде электромагнитной волны и превращение её в потенциальную энергию атома, поэтому она относится к категории околонаучной беллетристики.

16. Постулаты Бора – беззаконие, возведённое в ранг закономерности, простыми словами – беспочвенная выдумка или ересь.

17. Опасения физиков-теоретиков, что движущийся по круговой орбите электрон упадёт на ядро, совершенно напрасны. Ещё не было электродинамики, не было человека, а электроны в атомах успешно двигались вокруг ядер. Менялись времена, появились физики-теоретики, а вместе сними и теоретические проблемы. Электрон вращается вокруг ядра, но электрон – не движущаяся частица, а частица, движимая магнитным полем ядра. Пока есть постоянная движущая сила, заряженный или незаряженный объект будет бесконечно двигаться по круговой орбите, не излучая энергии.

18. Если электродинамика не в состоянии описать явление природы, надо электродинамику приводить в соответствие с природой, а не природу подгонять под электродинамику.

A9. ССЫЛКИ НА ИСТОЧНИКИ.

[1] https://ru.wikipedia.org/wiki/Планетарная_модель_атома

[2] https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.eb1c1f47-64940492-d379e3d5-74722d776562/https/www.geeksforgeeks.org/rutherfords-atomic-model/

[3] https://obrazovaka.ru/fizika/planetarnaya-model-atoma-rezerforda.html

[4] https://av-mag.ru/physics/index.php/atoms/stroenie/rutherford-experiment/

[5] https://sitekid.ru/fizika/planetarnaya_model_atoma_rezerforda.html

[6] https://poznayka.org/s102835t1.html

[7] https://obrazovanie-gid.ru/pereskazy1/nedostatki-modeli-rezerforda-kratko.html

[8] https://union-z.ru/articles/chemu-protivorechila-planetarnaya-model-atoma.html