Образовака🌡️ Физика11 классКвантовая физика

Квантовые постулаты Бора

Одним из первых положений зарождающейся квантовой теории атомного строения в начале XX в. стали постулаты Бора. Их целью было устранение противоречий между планетарной моделью атома Резерфорда и электродинамикой Максвелла. Поговорим кратко о квантовых постулатах Бора.

Проблемы планетарной модели атома

В начале XX в. Дж. Томсон установил, что атом имеет сложное строение. Сам он заряжен положительно, и некоторые силы удерживают в нем отрицательно заряженные электроны (в целом атом получается нейтрален).

Оставался вопрос о распределении положительного заряда по атому. Для его решения Э. Резерфорд в 1906 г. предложил зондирование атома альфа-частицами. Такой опыт был поставлен и дал неожиданный результат. Большинство альфа-частиц беспрепятственно пролетали сквозь атом. И только небольшая часть отклонялись и даже «отскакивали» в противоположном направлении. Это означало, что практически весь положительный заряд атома сосредоточен в компактной области порядка $ {10}^{-15} $м, которую назвали ядром. Э. Резерфорд предположил, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра на расстоянии порядка $ {10}^{-10} $м.

Такая модель атома была названа планетарной, но она входила в противоречие с классической электродинамикой Дж. Максвелла, которая к тому времени была уже многократно проверена и подтверждена.

Дело в том, что, согласно законам электродинамики, известным в 11 классе, заряды, движущиеся с ускорением, должны излучать электромагнитное излучение и при этом терять энергию. Электрон, двигающийся по орбите вокруг ядра, испытывает постоянное центростремительное ускорение, следовательно, он должен излучать электромагнитные волны, терять энергию, приближаться к ядру, и в конце концов за время порядка десятка микросекунд слиться с ним.

Квантовые постулаты Н. Бора

Чтобы разрешить возникшие противоречия, датский физик Н. Бор предложил аксиомы-постулаты, объясняющие стабильность атомов и условия для излучения или поглощения энергии электронами в них.

Таких постулатов два.

Согласно первому постулату, электроны в атоме могут находиться только в особых стационарных энергетических состояниях. Каждому энергетическому состоянию соответствует своя энергия $E_n$. При этом излучения энергии не происходит. Согласно второму постулату, излучение энергии происходит при переходе электрона из более высокого энергетического состояния на более низкое. Излученная энергия равна разности энергий начального и конечного состояния. Электрон также может поглотить энергию, при этом он перейдет с более низкого энергетического состояния к более высокому.

Поскольку энергия фотона пропорциональна его частоте, то второй постулат можно выразить формулой ($k,n$ — номера энергетических состояний перехода):

$$h\nu_{kn}=E_k-E_n$$

При этом подразумевается, что $E_k > E_n$. В случае излучения энергии электрон переходит из состояния $k$ в состояние $n$, а в случае поглощения — в обратном направлении.

Оба постулата Н. Бора противоречат классическим представлениям. Согласно классической механике энергия электрона может быть любой, а согласно классической электродинамике при движении по окружности электрон должен излучать электромагнитные волны и терять энергию. Первый постулат противоречит этим утверждениям. Второй постулат противоречит классической электродинамике, поскольку утверждает, что частота излучения зависит не от особенностей движения электрона, а только от изменения его энергии.

На основе квантовых постулатов удалось построить модель атома водорода по Бору, которая хорошо описывает все наблюдаемые явления

Что мы узнали?

Квантовые постулаты Бора были предложены для разрешения противоречия между классической электродинамикой и наблюдающейся стабильностью атомов. Кроме того, они позволили объяснить строение спектров излучения веществ. Согласно этим постулатам, атом может находиться только в особых квантовых энергетических состояниях. Излучение и поглощение света атомом происходит только при переходе между состояниями.