Квантование атома

В 1913 году — четыре года спустя после открытия того, что атом состоит из ядра и окружающих его электронов, — двое молодых ученых нашли новое понимание природы атома. Оба они исходили из своих представлений о том, как именно должен излучать атом. Первому довелось стать известным физиком, а второй погиб на фронте в Первую мировую войну от ранения в голову.

Эти двое — датчанин Нильс Бор и англичанин Генри Мозли — оставили свой след в науке, когда им не было еще и тридцати. Оба начинали свой путь в науку в Манчестере у «отца ядерной физики» Эрнеста Резерфорда. Поражало столь сильное различие научных представлений при общем наставнике.

Нильс Бор в своей копенгагенской лаборатории 10 лет спустя после выполнения своей ключевой работы по созданию модели атома. В 1997 году новый нестабильный радиоактивный химический элемент с атомным номером 107 получил название «борий» в честь Нильса Бора.

Атомный номер

Мозли изучал рентгеновское излучение различных атомов (рентгеновская спектроскопия) и обнаружил, что атомы дают свои характерные длины волн рентгеновского излучения, как когда-то было с видимым диапазоном спектра. Однако он также обнаружил, что длина волны характеристического рентгеновского излучения была пропорциональна заряду, который несло ядро атома. Тогда Мозли присвоил элементам «атомный номер», начиная с водорода, получившего № 1, и далее в соответствии с зарядом ядра (этот заряд он выявлял по рентгеновскому спектру).

Такая система позволяла отслеживать также и атомный вес (иногда говорят про атомную массу) атомов каждого элемента, и оказалось, что по массам элементы можно было упорядочить в периодическую таблицу. Ядра гелия имели электрический заряд 2, лития — 3 и так далее.

Система Мозли действительно оказалась самым удобным способом организовать периодическую таблицу элементов, поскольку изначально она была упорядочена по атомному весу и химическим свойствам. Однако оставалось загадкой, как одно ядро может нести больший электрический заряд, а другое — меньший. Увы, Мозли не дожил до ответа на этот вопрос — он был убит снайпером в 1915 году на Галлипольском полуострове во время Первой мировой войны.

Модель Бора

Работы Мозли не входили в противоречие с моделью атома, предложенной Эрнестом Резерфордом и подразумевавшей, что электроны вращаются по орбите вокруг ядра и удерживаются силами электромагнитного притяжения. Суммарный заряд электронов соответствует по величине заряду ядра, а по знаку является противоположным. Нильса Бора интересовало в первую очередь движение и положение электронов в атоме, и в первом своем варианте модели атома он представлял электроны твердыми шариками, которые движутся вокруг ядра по тем же законам, что и планеты вокруг Солнца.

Подобно Планку, который первым внес элементы квантования в ядерную физику, Нильс Бор также предпринял попытку создать математический аппарат, способный описать наблюдаемое поведение атома с квантовых позиций. Итогом этой работы стало создание его модели атома с облачным «вероятностным» расположением электронов вокруг ядра, тогда как ранее электроны представлялись в виде твердых шариков. В

Бор высказал предположение, что кинетическая энергия электрона пропорциональна частоте его обращения вокруг ядра, т.е. тому, насколько быстро он вращается вокруг ядра. По мысли Бора, в константу пропорциональности должна входить постоянная Планка, которая связывает энергию с частотой излучения.

Когда же Бор применил эту идею к объяснению эмиссионного спектра — этого уникального для каждого элемента набора цветных полосок, то оказалось, что его модель складывается лишь в одном случае — если электроны могут занимать строго определенные позиции вокруг ядер, получившие название «орбиталей». А между орбиталями электрон просто не имеет права находиться.

Излучение определенных длин волн (или частот) говорит о том, что атом не способен испустить любую произвольную энергию. Когда электрон поднимается с низкой орбитали на более высокую, он также может принять строго определенную порцию энергии. (То есть возможность получить больше, а потом сбросить излишек исключается.) Так что электрон действительно захватывает только характерные длины волн излучения, получая определенные порции (или кванты) энергии. Отсюда пошли термины «квантование атома», а скачки электронов между орбиталями стали называться «квантовыми». Эмиссионный спектр является результатом противоположного процесса — скачков электронов с верхних орбиталей на более низкие. При этом также излучаются строго определенные длины волн или частоты.

В 1939 году в Норвегии Нильс Бор построил первый ускоритель частиц в Европе, чтобы бомбардировать атомы нейтронами

Формы орбиталей

Разработанная Бором модель атома отбросила резерфордовские представления об орбитах электронов, построенных по аналогии с Солнечной системой. Бор заменил орбиты орбиталями — энергетическими уровнями, которые могут содержать лишь определенное число электронов. Самый низкий энергетический уровень соответствует сферической орбитали и может нести только два электрона. Более высокоэнергетические орбитали (см. ниже) имеют форму гантели, бублика и принимают большее количество электронов.