Вот атом, который построил Бор
В июне 1912 г., в письме к Э. Резерфорду Н. Бор формулирует основной подход к решению вопроса о строении атома и поведению электронов на орбите:
“...ничто <…> не может позволить нам выделить различные радиусы и времена колебания на основании механических соображений. <…> Эта гипотеза состоит в том, что для любого стабильного кольца (любого кольца в атомах, встречающихся в природе) должны существовать в определённых соотношениях между кинетической энергией и временем обращения /описка, имеется в виду угловой скоростью – М. Джеммер/. Эта гипотеза для которой мы не будем пытаться найти механическое обоснование (поскольку это кажется безнадёжным) была выбрана потому, что она представляется единственной возможностью объяснить всю совокупность экспериментальных результатов, которые группируются вокруг концепций механизма излучения, выдвинутых Планком и Эйнштейном <…>” [цит. 9 , с. 82-83]
Этот отрывок подчёркивает различие между подходами Н. Бора и Дж. Никольсона, последний настаивал на том, что квантовая теория атома базируется на представлении о нём как о механической системе, а не “уходит корнями” в физику излучения[15]; возможно, что попытки предшественников найти механическое объяснение квантовых соотношений в атоме лишний продемонстрировали Н. Бору бесплодность таких попыток. Между подходами Никольсона и Бора, как представляется, и лежит тот “скачок” в понимании, без которого не обходится становление ни одной фундаментальной теории.
|
|
|
В августе 1912 г. Н. Бор подготовил к печати работy “О теории уменьшения скорости движущейся электрически заряжённой частицы при прохождении через вещество”[16] (статья вышла в январе 1913 г.), которую он завершает уверением, что “... дальнейшая информация о строении атома, которую можно получить из экспериментов по поглощению α-лучей более подробно будет рассмотрена в последующей статье” [23 , p .31]. В июле 1913 г. Н.Бор публикует первую часть статьи “О строении атомов и молекул”, третья часть вышла в ноябре того же 1913 г. – таким образом, в истории становления квантовой теории был совершён следующий (вслед за работами М. Планка и А. Эйнштейна) существенный шаг.
▼Основные положения теории атома, сформулированные Бором, - это не одномоментная гениальная догадка[17], а результат как минимум года (июнь 1912 – июль 1913) напряжённой работы, опиравшийся как на результаты работы других учёных (и положительные и отрицательные), так и на поддержку Э. Резерфорда – научного руководителя и коллегу в одном лице.
| 
|
| Первая страница статьи Н. Бора “Строение атомов и молекул” в Philosophical Magazine, 1913 | Первая страница обзора К.Ф. Нестурха. “Строение атома по Бору” в Ж.Р.Ф.-Х.О, 1913 |
«Постулаты Бора», вероятно, в отечественной литературе, как понятие, они были впервые введены О.Д. Хвольсоном в его курсе в 1926 г. “Приняв внешний вид модели Rutherford’aБор ввёл три гипотезы[18], которые впрочем правильнее назвать постулатами, одинаково новые по существу и одинаково поразительные по своей смелости” [14 , p .61]. В современной учебной литературе для средней школы можно встретить как утверждение о двух постулатах Н. Бора, так и о трёх. Академик АН БССР М.А. Ельяшевич, занимавший в области истории науки, в частности, вопросами становления квантовой механики, проводит принципиальное различие между постулатами теории Н. Бора и положениями конкретной атомной модели [26]. Вероятно, что эта дискуссия выходит за рамки содержания образования курса средней школы, и должна быть адресована учёным-физикам, специалистам в области квантовой механики. Тем не менее, понятия: гипотеза, постулат, равно как и сами формулировки в учебниках физики – это, до некоторой степени /!/, результат осмысления учёными-физиками, в том числе и авторами учебников, работ Н. Бора и его учеников. Сам Н. Бор назвал свои предложения, а статья написана по-английски, - “assumptions”, это не гипотеза, не постулат, хотя эти термины могут выступать в переводе как близкие; авторы перевода «Избранных работ» Н. Бора перевели его как “допущения” [22], однако, представляется, что синоним “предположения” в контексте работы Н. Бора не менее точен. Следует оговорить ещё два термина, которые использует Бор: “homogeneous radiation = однородное излучение”, т.е. излучение, однородное по частоте, (термин “monochromatic = монохроматическое” используется им в более поздних работах), а также “permanent state = перманентное состояние”, т.е. постоянное состояние, состояние, в котором атом может находиться длительное время[19]. Бор берёт последний термин в кавычки; понятия «основное» состояние атома, в первой статье Бора, как такового ещё нет. В некотором смысле определённые специфические понятия теории строения атома по Бору, рождаются в ходе становления самой теории.
|
|
|
|
|
|
Итак, каковы предположения, выдвинутые Н. Бором в первой статье «О строении атомов и молекул»; он дважды возвращается к ним: в первой части, выделяя два принципиальных предположения (“principal assumptions”)[20], а в заключение II части пять главных (“main assumptions”) предположений статьи[21].
Principal assumptions [27, p . 7]
|
|
|
Принципиальные предположения таковы, что:
1. Динамическое равновесие систем в стационарных состояниях может обсуждаться при помощи обычной механики, в то же время переход систем между различными стационарными состояниями не может рассматриваться на этой основе.
2. Последний процесс сопровождается испусканием однородного[22] излучения, для которого связь между частотой и излучаемой энергией именно та, которую даёт теория Планка.
Main assumptions [27, pp . 874-875]
Главные предположения, использованные в настоящей статье таковы:
1. Энергия излучения не испускается (или поглощается) непрерывным образом, как предполагается в обычной электродинамике, но только при переходе систем между “различными” стационарными состояниями.
2. Динамическое равновесие систем в стационарных состояниях подчиняется обычным законам механики, в то же время эти законы несправедливы при переходах систем между различными стационарными состояниями.
3. Излучение, испущенное во время перехода системы между двумя стационарными состояниями - однородно, а связь между частотой ν и общим количеством испущенной энергии E задаётся как: E = hν, где h постоянная Планка.
4. Различные стационарные состояния простой системы, состоящей из электрона, вращающегося вокруг положительного ядра, определяется условием, что отношение полной энергии, испущенной при образовании конфигурации, к частоте обращения электрона кратно целому числу ½h. Полагая, что орбита электрона круговая, это предположение равносильно тому, что угловой момент электрона вокруг ядра равен целому кратному h/2π.
5. “Перманентное” состояние любой атомной системы, в котором испущенная энергия максимальна, определяется условием, что угловой момент каждого электрона, вращающегося вокруг центра его орбиты равен h/2π[23]
▼Вероятно, лишь в классах с углублённым изучением физики, могло бы быть целесообразно прямое обращение к оригинальным предположениям, сделанным Н. Бором в первой статье[24]. Вместе с тем, ученики должны знать, что формулировки постулатов Н. Бора, как и законов И. Ньютона, в том виде, в каком они сегодня прописаны в учебниках[25], это есть до некоторой степени современное прочтение, современное обобщение на современном научном языке того, что было сделано великими учёными. На уроке вводной могла бы стать фраза: “Дадим следующую формулировку постулатам Н. Бора:.. ”, подчеркивая в неявном виде, что это мы сегодня так формулируем предположения, сделанные Н. Бором.
| 
|
| Фрагмент обложки и фотография Н. Бора на форзаце книги Н. Бора, изданной в СССР. | |
Теория Бора, а такое впечатление может сложиться у школьника, не исчерпывалась одной статьей, основные предположения которой приведены выше, всего за три года (1913 – 1915) Н. Бором было опубликовано восемь статей, в которых его теория находила продолжение и развитие, развитие она получила и работах других физиков, в частности А. Зоммерфельда, Г.А. Крамерся и др. Одновременно с публикацией первой статьи началось широкое обсуждение теории Н. Бора, но принята она была не всеми: А. Эйнштейн поддержал, её, практически сразу, возражая М. фон Лауэ на коллоквиуме в Цюрихе (сентябрь 1913 г.), теорию поддержал Дж.Х. Джинс на Сессии Британской ассоциации развития науки (сентябрь 1913 г.) [9 , с.93], сам Н. Бор сделал доклад на заседании Физического общества в Копенгагене (декабрь 1913). Однако, в том же 1913 г. состоялся II Сольвеевский конгресс, посвящённый строению вещества, на котором выступал Дж.Дж. Томсон со своей теорией атома. В 1913-15 г. теория Бора обсуждалась в рамках рубрики «Письма к редактору» на страницах журнала Nature, видными физиками начала ХХ века, в частности, Э. Резерфордом, Н. Бором, Дж. Никольсоном, Ф.А. Линдеманом, А. Фаулером; в 1913 г. в России появился обзор основных положений на страницах журнала Русского физико-химического общества. Дискутировались не только положения самой теории, но для подтверждения определённых выводов теории ставились опыты (знаменитый опыт Дж. Франка и Г. Герца) и обсуждались их результаты.
▼Обсуждаемость, способность к развитию и углублению – это отличительные черта физической теории, претендующей на истинность.
В рамках настоящей статьи невозможно сделать полный обзор всего того, что было сделано Н. Бором по развитию теории строения атома. Отметим, прежде всего, что все модели атомов начала ХХ века: Кельвина, Нагаоки, Томсона, Никольсона касались вопроса излучения энергии атомами, естественно было опробовать, т.е. проверить истинность модели на самом простом атоме – атоме водорода. Поэтому применение сделанных предположений совершенно очевидно было отнесено Н. Бором к атому водорода. Некоторые расчёты атома водорода по Бору могут быть сделаны и сегодня в углублённом курсе физики старшей школы. Эти выкладки хорошо известны по классическим учебникам, поэтому остановимся, опуская математические расчёты, на результатах для атома водорода, полученные Н. Бором в первых статьях, которые могут быть доступны пониманию школьника без привлечения сложной математики.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 110; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!