Чтение онлайн

Электродинамика, наука о движении зарядов, давно установила, что когда электрические заряды меняют направление движения или скорость, они излучают электромагнитные волны. Следовательно, электроны при обращении вокруг ядра должны порождать электромагнитные волны, т. е. световое излучение. Так, по крайней мере, следует из законов, найденных физикой для мира больших тел.

Однако если применить эти законы к атомам, опять возникают противоречия. В самом деле, если электрон неизбежно должен обращаться вокруг ядра и если он при этом неизбежно должен излучать, то также неизбежно он должен терять энергию. А потеря энергии неизбежно приведет к тому, что электрон будет быстро приближаться к ядру. Через какие-нибудь миллионные доли секунды должна неминуемо произойти катастрофа — электрон упадет на ядро.

Таким образом, законы механики требуют: чтобы избежать катастрофы, электрон в атоме должен обращаться вокруг ядра. А законы электродинамики утверждают: раз обращение заряда — значит излучение; раз излучение — значит потеря энергии и катастрофа.

Но катастрофа не происходит. Из опыта мы видим, что атомы большинства элементов в обычных условиях вполне устойчивы. А неустойчивость радиоактивных атомов связана не с характером движения электронов, а со свойствами ядер. Впрочем, и атомы радиоактивных элементов в конце концов превращаются в очень устойчивые атомы новых, нерадиоактивных элементов.

Почему же атомы устойчивы?

Не действуют ли в атомах какие-то новые законы излучений, которые были неизвестны ранее?

Физики вооружаются электронной пушкой. На помощь ученым вновь пришел свет, точнее, изучение условий, при которых возникают излучения в атомах.

Внимание физиков привлек один очень существенный факт: атомы излучают определенные частоты не в любом состоянии. Они излучают, когда вещество нагревается до очень высокой температуры или когда через него пропускают электрический ток (если речь идет о газах), или когда атомы обстреливаются потоком электронов или рентгеновских лучей, словом, когда атомы вещества «возбуждаются», т. е. когда их внутренняя энергия возрастает.

Этот факт известен давно. Он говорит о том, что в обычном, «нормальном» состоянии атом не излучает, каковы бы ни были движения электронов в нем. По-видимому, излучения атома связаны не с движениями электронов, а с особыми «потрясениями» в атоме.

Не узнаем ли мы более подробно о характере излучения атомов, если изучим процесс возбуждения атомов?

Прежде всего надо научиться управлять возбуждением. Это значит, надо научиться передавать атомам ровно столько энергии, сколько мы хотим.

Годится ли для этого газовая горелка? Нет, не годится. В газовой горелке атомы какого-либо вещества получают энергию при ударе их атомами газов, образующих пламя. А в пламени атомы газа движутся с самыми различными скоростями. И энергия у них поэтому различна. При столкновениях в пламени один атом вещества получит одну порцию энергии, а другой, может быть, в сотни раз больше. И этого никак не избежишь.

Но вот около полусотни лет назад физики научились получать поток электронов, в котором все электроны имеют одну и ту же скорость, а следовательно, и одинаковую энергию. Для этой цели была построена специальная «электронная пушка». Источником электронов в ней служила металлическая проволочка. Она накаливалась током, и тогда из нее- вылетали электроны. По вылете электроны попадали в специально созданное электрическое поле, которое ускоряло их движение, доводило их энергию до необходимого, точно определенного уровня. Изменяя разность потенциалов поля, можно было по желанию уменьшать или увеличивать энергию электронов. Так как энергия, полученная таким путем электронами, очень мала, то ее стали измерять не обычными единицами, а «электрон-вольтами». Эта единица энергии равна энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в один вольт.

Такая электронная пушка и была использована для возбуждения атомов.

Как атомы обмениваются энергией?

В первом опыте были взяты пары ртути. Энергия снарядов-электронов увеличивалась постепенно. Оказалось, что при малых энергиях электронов никакого возбуждения атомов ртути не наступало. Электроны ударяли в них, но отскакивали с той же скоростью, не отдавая им своей энергии. Атомы ртути были безучастны к ударам электронов. Они не возбуждались и не испускали никакого излучения.

Но так было только до тех пор, пока электроны не достигали определенной «критической» энергии, равной 4,9 электрон-вольта.

Как только электроны в пушке достигали этой критической энергии, атомы ртути при ударе захватывали у электронов их энергию и после этого начинали испускать излучение с частотой 11,8·1014 циклов. В результате излучения атомы теряли захваченную ими энергию и вновь приходили в нормальное состояние; излучение прекращалось.

Изменяя условия опыта, физики убедились, что атомы ртути способны захватывать также и большие порции энергии, но тоже совершенно определенные. После этих захватов шары ртути начинали испускать излучения также и других частот, тоже строго определенных. Поглощенная каждым атомом энергия затем полностью отдавалась при излучении. При этом всегда осуществлялся закон: частоты излучения были тем больше, чем больше была порция энергии, которая была сначала захвачена у электрона, а затем излучена атомом.

Атомы других веществ вели себя совершенно так же. Только порции энергии, которые они захватывали, были другие. Но всегда они были определенными для атомов одного и того же вещества.

Эта закономерность не была неожиданной. Физики уже знали, что свет излучается и поглощается только порциями, получившими название квантов света или фотонов. Когда атом отдает излишек энергии, он отдает его сразу в виде одной порции света — фотона. А энергия фотона тем больше, чем больше частота света. Следовательно, по частотам излучаемого света можно судить о величине порций энергии, отдаваемых атомом.

Каждый атом в нормальном состоянии всегда имеет определенный запас энергии. Это его минимальный запас, который не изменяется, если атом по каким-либо причинам вовсе не разрушается. В этом состоянии атом не излучает. При возбуждении запас энергии атома увеличивается. Возбужденный атом, излучая свет, теряет из запаса часть энергии в виде фотонов, соответствующих определенной частоте, и в конце концов возвращается в нормальное состояние. Физики выражают ту же мысль и иначе; они говорят: каждый атом находится в определенном «энергетическом состоянии». Излучая фотон, атом переходит в другое энергетическое состояние, с меньшей энергией. Значит, по частотам излучения атомов можно судить о том, какие энергетические состояния могут быть у атомов, какие возможны переходы из одного энергетического состояния в другое.

Этот вывод физики использовали для изучения строения атомов.

Какова структура атома

Модель атома водорода

В 1913 году датский физик Нильс Бор (1885—1962) 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.

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 (см. стр. 90). Бор предположил, что этот электрон в полном соответствии с законами классической механики обращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца, двигаясь по определенному пути или, как говорят, 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. (рис. 35).