Становление идей современного естествознания



Pdf просмотр
страница30/39
Дата28.01.2019
Размер5.05 Kb.
1   ...   26   27   28   29   30   31   32   33   ...   39
Основную роль в квантовой теории играет положение о том, что энергия квантов зависит от частоты излучения и находится по формуле Планка
E h
ν
=
,
где
ν
- частота излучения, h – постоянная, названная впоследствии по-
стоянной Планка. Таким образом, чем выше частота, тем больше энергия кванта. (Излучение кажется нам непрерывным, а не дискретным потому, что число образующих его квантов очень велико например, ваттная лампочка испускает за с около
20 10 квантов света – фотонов.)
Квантовая теория позволила ответить наряд вопросов, относящихся к строению атома и необъяснимых в рамках классической механики и электродинамики. Например, почему электроны, обращающиеся вокруг ядра, не испускают электромагнитных волн (как это должно следовать из электродинамики Максвелла) и не падают на ядро Датский физик Нильс Бор, приняв за основу планетарную модель атома, сформулировал некоторые дополнительные правила, характеризующие те особенности движения электронов, которые не укладываются в рамки классической физики Постулаты Бора состоят в следующем.
1. Атом может находиться только в дискретных устойчивых состояниях, характеризуемых определенными дискретными значениями энергии. В устойчивых состояниях атома электроны движутся вокруг ядра по определенным дозволенным) орбитам, причем радиусы этих орбит соответствуют возможным значениям энергии атома.
2. При движении по дозволенным орбитам электроны – вопреки классической электродинамике – не излучают электромагнитных волн. Излучение может происходить только при перескоке электрона с одной дозволенной орбиты на другую.
3. Испускание и поглощение энергии атомом происходит скачками, каждый скачок представляет собой порцию (квант энергии, кратную
ν
h .
4. При поглощении энергии атомом электрон переходит с внутренней орбиты на внешнюю, более далекую от ядра. При обратном переходе атом излучает порцию энергии. Энергия излучения равна разности энергий электрона в начальном и конечном состоянии движения
2 1
w
w
w

=
и находится по формуле, где
ν
– частота излучения. Перескок электрона на другую орбиту представляет собой так называемый квантовый скачок: электрон переходит с одной орбиты на другую, не появляясь между ними. Из постулатов Бора следует, что частота излученного света вовсе неравна частоте вращения электрона по орбите (как того требует классическая электродинамика. Излучение происходит только при перескоке электрона на более близкую к ядру дозволенную орбиту, причем частота излучения, как следует
92

из вышеприведенной формулы, пропорциональна разности энергий электрона на этих орбитах. Этим объясняется, – почему каждый атом обладает способностью испускать и поглощать электромагнитные волны только определенных частот (энергия атома может меняться только на определенные дискретные величины. Именно поэтому спектры атомов являются линейчатыми каждой линии спектра соответствует перескок электрона с одной стационарной орбиты на другую.
Дискретность возможных значений энергии атомов не согласуется ни с классической механикой Ньютона, ни с классической электродинамикой Максвелла. Ввиду дискретности значений энергии, атом представляет собой систему, обладающую сверхустойчивостью, которая не присуща макроскопическим телам.
С появлением квантовой механики сам механизм взаимодействия тел предстал вином свете. Раньше считалось, что один заряд создает поле, которое действует на другой заряд. Но как это происходит Квантовая картина рисует это взаимодействие следующим образом. Один заряд испускает кванты, которые поглощаются другим зарядом. Если во времена Фарадея и Максвелла это взаимодействие уподоблялось натяжению нити, то теперь оно представляется как обмен порциями вещества и энергии. При этом процесс испускания кванта нельзя уподобить переносу шарика от одного заряда к другому например фотон не прячется в атоме, а рождается в самом акте излучения. Каждый акт испускания – поглощения квантов переводит взаимодействующие в нем частицы в новое энергетическое состояние.
7.2.
Корпускулярно-волновой дуализм. Уравнение Шредингера.
Принцип запрета Паули. Соотношение неопределенностей Гей-
зенберга. Принцип дополнительности Бора


Из того факта, что свет излучается порциями, был сделан вывод, что свет поглощается также порциями. Излученная порция света сохраняет свою индивидуальность (энергию и импульс, тем самым, обнаруживая свое сходство с частицей в дальнейшем она получила название фотон. Обнаружение фотонов – квантов электромагнитного поля – привело к установлению двойственной природы света свет является одновременно и волной, и частицей. Отправляясь от корпускулярных свойств фотонов, французский физик Луи де Бройль в 1924 г. высказал обратную идею – что все элементарные частицы имеют также волновые свойства. Эта концепция вошла в науку под названием «корпускулярно-волновой дуализм. Согласно концепции де Бройля, каждая частица имеет корпускулярные параметры (энергию и импульс) и волновые параметры (частоту и длину волны. Академик В.А. Фок трактует кор- пускулярно-волновой дуализм следующим образом Можно сказать, что для
93

атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна-части- ца».
Развивая идеи де Бройля, Э. Шредингер вывел в 1926 г. дифференциальное уравнение для так называемой
ψ
-функции, задающей амплитуду этих волн в небольшой области пространства вблизи атомного ядра. Если Бор постулировал дискретные значения энергии частиц, тов квантовой механике это является следствием уравнения Шредингера. Квантовая механика отказывается от классического понятия орбиты электрона и исходит из понятия электронного облака, размер, форма и ориентация которого описываются так называемыми
квантовыми числами.
Размышляя над периодической системой Менделеева, Нильс Бор предположил, что замкнутые конфигурации атомов более устойчивы, поэтому электронные оболочки заполняются последовательно после заполнения одной оболочки заполняется следующая. Это предположение привело австрийского физика Вольфганга Паули к следующему выводу водном и том же атоме водном квантовом состоянии может находиться только один электрон. Другими словами, не может быть двух электронов с одинаковым набором квантовых чисел (принцип запрета Паули). Квантовая механика дала объяснение химических свойств элементов они определяются строением внешней электронной оболочки атомов и характером их заполнения валентными электронами. Каждый последующий элемент в периодической таблице Менделеева образован из предыдущего добавлением к ядру одного протона и добавлением к электронной оболочке одного электрона. Поэтому с увеличением заряда атомов происходит изменение строения внешней электронной оболочки, влекущее изменение физических и химических свойств элементов. В силу принципа запрета Паули возникает периодически повторяющийся однотипный характер в строении внешней электронной оболочки ряда элементов, что обусловливает схожесть химических свойств определенных групп элементов (а именно, элементов, находящихся водной группе периодической системы. Тем самым квантовая механика подвела научный фундамент под периодический закон Менделеева периодичность свойств элементов объясняется периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов Шредингер считал, что, что волновая функция описывает некое физическое поле, причем находимые из его уравнения волны дают распределение заряда частицы. Однако эти предположения не согласовывались с результатами экспериментов оказалось, что при своем движении электрон как бы размазан вокруг ядра по всему объему, создавая электронное облако, плотность которого характеризуется волновой функцией. Неожиданную для физиков интерпретацию этих волн предложил Макс Борн связанная, например, с электро-
94



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   26   27   28   29   30   31   32   33   ...   39


База данных защищена авторским правом ©genderis.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница