Законы атомной физики. Релятивистское сокращение длины

· Рентгеноспектральный анализ · Радиоспектроскопия ·

Атомная физика - раздел физики, изучающий строение и свойства атомов . Атомная физика возникла в конце XIX - начале XX века в результате экспериментов, установивших, что атом представляет собой систему из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, и получила своё развитие в связи с созданием квантовой механики , объяснившей структуру атома. Строение атомного ядра изучается в ядерной физике .

Общие сведения [ | ]

В основе современной атомной физики лежит квантово-механическая теория, которая описывает физические явления на атомно-молекулярном уровне. Атомная физика рассматривает атом, как систему из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов . Свойства этой системы и элементарные процессы протекающие в ней, определяются электромагнитным взаимодействием , в отличие от ядерной физики и физики элементарных частиц , где фундаментальную роль играют сильное взаимодействие и слабое взаимодействие .

История [ | ]

Планетарная модель атома

Идея о существовании мельчайших неделимых частиц - атомов, впервые была сформулирована древнегреческими философами Левкиппом , Демокритом и Эпикуром . В XVII веке эта идея получила продолжение в трудах французских философов П. Гассенди и Р. Декарта , английского химика Р. Бойля . Атомистика этого периода носила скорее умозрительный характер, представления об атомах были, как о постоянных, неделимых частицах, разнообразных размеров и форм, лишённых химических и физических свойств, из сочетания которых состоят все материальные тела. В работах И. Ньютона и М. В. Ломоносова высказывались предположения о возможности соединения атомов в более сложные структуры - корпускулы .

Важнейшими вехами в истории атомной физики были открытие электрона в 1897 английским физиком Дж. Дж. Томсоном и радиоактивного распада французскими учёными М. Склодовской-Кюри и П. Кюри , они изменили представление об атоме как о системе взаимодействующих заряженных частиц, согласно теории голландского физика Х. Лоренца . На основании этих исследований, Томсон предложил в 1903 году модель атома в виде сферы с положительным зарядом, с вкраплениями небольших по размеру частиц с отрицательным зарядом - электронов, удерживающихся в атоме за счёт равенства силы притяжения положительного заряда силам взаимного отталкивания электронов. Дальнейшие изучения радиоактивности Ф. Содди привели к открытию изотопов , тем самым разрушив научные представления об абсолютной идентичности всех атомов одного химического элемента. Важную роль сыграло также исследование А. Г. Столетовым фотоэффекта и дальнейшее объяснение этого явления А.Эйнштейном .

Планетарная модель атома обладала рядом недостатков, из которых самым существенным был связан с теоретически верной потерей энергии электрона: так как электрон вращается вокруг атома, то на него действует центростремительное ускорение, а согласно формуле Лармора любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает энергию. Если электрон теряет энергию, то в конце концов он должен упасть на ядро , чего в реальности не происходит. Уточнение модели атома стало возможным только с позиции совершенно новых представлений об атоме, открытых немецким физиком

Атомная физика

раздел физики, в котором изучают строение и состояние атомов. А. ф. возникла в конце 19 - начале 20 вв. В 10-х гг. 20 в. было установлено, что атом состоит из ядра и электронов, связанных электрическими силами. На первом этапе своего развития А. ф. охватывала также вопросы, связанные со строением атомного ядра. В 30-х гг. выяснилось, что природа взаимодействий, имеющих место в атомном ядре, иная, чем во внешней оболочке атома, и в 40-х гг. ядерная физика выделилась в самостоятельную область науки. В 50-х гг. от неё отпочковалась физика элементарных частиц, или физика высоких энергий.

Предыстория атомной физики: учение об атомах в 17-19 вв. Мысль о существовании атомов как неделимых частиц материи возникла ещё в древности; идеи Атомизм а впервые были высказаны древнегреческими мыслителями Демокритом и Эпикуром. В 17 в. они были возрождены французским философом П. Гассенди и английским химиком Р. Бойлем.

Представления об атомах, господствовавшие в 17-18 вв., были малоопределёнными. Атомы считались абсолютно неделимыми и неизменными твёрдыми частицами, различные виды которых отличаются друг от друга по размеру и форме. Сочетания атомов в том или ином порядке образуют различные тела, движения атомов обусловливают все явления, происходящие в веществе. И. Ньютон, М. В. Ломоносов и некоторые другие учёные полагали, что атомы могут сцепляться в более сложные частицы - «корпускулы». Однако атомам не приписывали определённых химических и физических свойств. Атомистика ещё носила абстрактный, натурфилософский характер.

В конце 18 - начале 19 вв. в результате быстрого развития химии была создана основа для количественной разработки атомного учения. Английский учёный Дж. Дальтон впервые (1803) стал рассматривать атом как мельчайшую частицу химического элемента, отличающуюся от атомов других элементов своей массой. По Дальтону, основной характеристикой атома является атомная масса. Химические соединения представляют собой совокупность «составных атомов», содержащих определённые (характерные для данного сложного вещества) числа атомов каждого элемента. Все химические реакции являются лишь перегруппировками атомов в новые сложные частицы. Исходя из этих положений, Дальтон сформулировал свой закон кратных отношений (см. Кратных отношений закон). Исследования итальянских учёных А. Авогадро (1811) и, в особенности, С. Канниццаро (1858) провели чёткую грань между атомом и молекулой. В 19 в. наряду с химическими свойствами атомов были изучены их оптические свойства. Было установлено, что каждый элемент обладает характерным оптическим спектром; был открыт спектральный анализ (немецкие физики Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, 1860).

Т. о., атом предстал как качественно своеобразная частица вещества, характеризуемая строго определёнными физическими и химическими свойствами. Но свойства атома считались извечными и необъяснимыми. Полагали, что число видов атомов (химических элементов) случайно и что между ними не существует никакой связи. Однако постепенно выяснилось, что существуют группы элементов, обладающих одинаковыми химическими свойствами - одинаковой максимальной валентностью, и сходными законами изменения (при переходе от одной группы к другой) физических свойств - температуры плавления, сжимаемости и др. В 1869 Д. И. Менделеев открыл периодическую систему элементов (См. Периодическая система элементов). Он показал, что с увеличением атомной массы элементов их химические и физические свойства периодически повторяются (рис. 1 и 2 ).

Периодическая система доказала существование связи между различными видами атомов. Напрашивался вывод, что атом имеет сложное строение, изменяющееся с атомной массой. Проблема раскрытия структуры атома стала важнейшей в химии и в физике (подробнее см. Атомизм).

Возникновение атомной физики. Важнейшими событиями в науке, от которых берёт начало А. ф., были открытия электрона и радиоактивности. При исследовании прохождения электрического тока через сильно разреженные газы были открыты лучи, испускаемые катодом разрядной трубки (катодные лучи) и обладающие свойством отклоняться в поперечном электрическом и магнитном полях. Выяснилось, что эти лучи состоят из быстро летящих отрицательно заряженных частиц, названных электронами. В 1897 английский физик Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряда е этих частиц к их массе m. Было также обнаружено, что металлы при сильном нагревании или освещении светом короткой длины волны испускают электроны (см. Термоэлектронная эмиссия , Фотоэлектронная эмиссия). Из этого было сделано заключение, что электроны входят в состав любых атомов. Отсюда далее следовало, что нейтральные атомы должны также содержать и положительно заряженные частицы. Положительно заряженные атомы - ионы - были действительно обнаружены при исследовании электрических разрядов в разреженных газах. Представление об атоме как о системе заряженных частиц объясняло, согласно теории голландского физика Х. Лоренц а, саму возможность излучения атомом света (электромагнитных волн): электромагнитное излучение возникает при колебаниях внутриатомных зарядов; это получило подтверждение при исследовании действия магнитного поля на атомные спектры (см. Зеемана явление). Выяснилось, что отношение заряда внутриатомных электронов к их массе е/m, найденное Лоренцом в его теории явления Зеемана, в точности равно значению е/m для свободных электронов, полученному в опытах Томсона. Теория электронов и её экспериментальное подтверждение дали бесспорное доказательство сложности атома.

Представление о неделимости и непревращаемости атома было окончательно опровергнуто работами французских учёных М. Склодовской-Кюри (См. Склодовская-Кюри) и П. Кюри (См. Кюри-Склодовская). В результате изучения радиоактивности было установлено (Ф. Содди), что атомы испытывают превращения двух типов. Испустив α-частицу (ион гелия с положительным зарядом 2e ), атом радиоактивного химического элемента превращается в атом другого элемента, расположенного в периодической системе на 2 клетки левее, например атом полония - в атом свинца. Испустив β-частицу (электрон) с отрицательным зарядом -е, атом радиоактивного химического элемента превращается в атом элемента, расположенного на 1 клетку правее, например атом висмута - в атом полония. Масса атома, образовавшегося в результате таких превращений, оказывалась иногда отличной от атомного веса того элемента, в клетку которого он попадал. Отсюда следовало существование разновидностей атомов одного и того же химического элемента с различными массами; эти разновидности в дальнейшем получили название изотопов (т. е. занимающих одно и то же место в таблице Менделеева). Итак, представления об абсолютной тождественности всех атомов данного химического элемента оказались неверными.

Результаты исследования свойств электрона и радиоактивности позволили строить конкретные модели атома. В модели, предложенной Томсоном в 1903, атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую вкраплены незначительные по размеру (по сравнению с атомом) отрицательные электроны (рис. 3 ).

Они удерживаются в атоме благодаря тому, что силы притяжения их распределённым положительным зарядом уравновешиваются силами их взаимного отталкивания. Томсоновская модель давала известное объяснение возможности испускания, рассеяния и поглощения света атомом. При смещении электронов из положения равновесия возникает «упругая» сила, стремящаяся восстановить равновесие; эта сила пропорциональна смещению электрона из равновесного положения и, следовательно, дипольному моменту (См. Дипольный момент) атома. Под действием электрических сил падающей электромагнитной волны электроны в атоме колеблются с той же частотой, что и электрическая напряжённость в световой волне; колеблющиеся электроны, в свою очередь, испускают свет той же частоты. Так происходит рассеяние электромагнитных волн атомами вещества. По степени ослабления светового пучка в толще вещества можно узнать общее число рассеивающих электронов, а зная число атомов в единице объёма, можно определить число электронов в каждом атоме.

Создание Резерфордом планетарной модели атома. Модель атома Томсона оказалась неудовлетворительной. На её основе не удалось объяснить совершенно неожиданный результат опытов английского физика Э. Резерфорда и его сотрудников Х. Гейгера и Э. Марсдена по рассеянию α-частиц атомами. В этих опытах быстрые α-частицы были применены для прямого зондирования атомов. Проходя через вещество, α-частицы сталкиваются с атомами. При каждом столкновении α-частица, пролетая через электрическое поле атома, изменяет направление движения - испытывает рассеяние. В подавляющем большинстве актов рассеяния отклонения α-частиц (углы рассеяния) были очень малы. Поэтому при прохождении пучка α-частиц через тонкий слой вещества происходило лишь небольшое размытие пучка. Однако очень малая доля α-частиц отклонялась на углы более 90°. Этот результат нельзя было объяснить на основе модели Томсона, т.к. электрическое поле в «сплошном» атоме недостаточно сильно, чтобы отклонить быструю и массивную α-частицу на большой угол. Чтобы объяснить результаты опытов по рассеянию α-частиц, Резерфорд предложил принципиально новую модель атома, напоминающую по строению Солнечную систему и получившую название планетарной. Она имеет следующий вид. В центре атома находится положительно заряженное ядро, размеры которого (Атомная физика10 -12 см ) очень малы по сравнению с размерами атома (Атомная физика10 -8 см ), а масса почти равна массе атома. Вокруг ядра движутся электроны, подобно планетам вокруг Солнца; число электронов в незаряженном (нейтральном) атоме таково, что их суммарный отрицательный заряд компенсирует (нейтрализует) положительный заряд ядра. Электроны должны двигаться вокруг ядра, в противном случае они упали бы на него под действием сил притяжения. Различие между атомом и планетной системой состоит в том, что в последней действуют силы тяготения, а в атоме - электрические (кулоновские) силы. Вблизи ядра, которое можно рассматривать как точечный положительный заряд, существует очень сильное электрическое поле. Поэтому, пролетая вблизи ядра, положительно заряженные α-частицы (ядра гелия) испытывают сильное отклонение (см. рис. 4 ). В дальнейшем было выяснено (Г. Мозли), что заряд ядра возрастает от одного химического элемента к другому на элементарную единицу заряда, равную заряду электрона (но с положительным знаком). Численно заряд ядра атома, выраженный в единицах элементарного заряда е, равен порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе.

Для проверки планетарной модели Резерфорд и его сотрудник Ч. Дарвин подсчитали угловое распределение α-частиц, рассеянных точечным ядром - центром кулоновских сил. Полученный результат был проверен опытным путём - измерением числа α-частиц, рассеянных под разными углами. Результаты опыта в точности совпали с теоретическими расчётами, блестяще подтвердив тем самым планетарную модель атома Резерфорда.

Однако планетарная модель атома натолкнулась на принципиальные трудности. Согласно классической электродинамике, заряженная частица, движущаяся с ускорением, непрерывно излучает электромагнитную энергию. Поэтому электроны, двигаясь вокруг ядра, т. е. ускоренно, должны были бы непрерывно терять энергию на излучение. Но при этом они за ничтожную долю секунды потеряли бы всю свою кинетическую энергию и упали бы на ядро. Другая трудность, связанная также с излучением, состояла в следующем: если принять (в соответствии с классической электродинамикой), что частота излучаемого электроном света равна частоте колебаний электрона в атоме (т. е. числу оборотов, совершаемых им по своей орбите в одну секунду) или имеет кратное ей значение, то излучаемый свет по мере приближения электрона к ядру должен был бы непрерывно изменять свою частоту, и спектр излучаемого им света должен быть сплошным. Но это противоречит опыту. Атом излучает световые волны вполне определённых частот, типичных для данного химического элемента, и характеризуется спектром, состоящим из отдельных спектральных линий - линейчатым спектром. В линейчатых спектрах элементов был экспериментально установлен ряд закономерностей, первая из которых была открыта швейцарским учёным И. Бальмером (1885) в спектре водорода. Наиболее общая закономерность - комбинационный принцип - была найдена австрийским учёным В. Ритцем (1908). Этот принцип можно сформулировать следующим образом: для атомов каждого элемента можно найти последовательность чисел T 1 , T 2 , T 3 ,... - т. н. спектральных термов, таких, что частота v каждой спектральной линии данного элемента выражается в виде разности двух термов: v = T k - T i . Для атома водорода терм T n = R/n 2 , где n - целое число, принимающее значение n = 1, 2, 3,..., a R - т. н. постоянная Ридберга (см. Ридберга постоянная).

Т. о., в рамках модели атома Резерфорда не могли быть объяснены устойчивость атома по отношению к излучению и линейчатые спектры его излучения. На её основе не могли быть объяснены и законы теплового излучения, и законы фотоэлектрических явлений, которые возникают при взаимодействии излучения с веществом. Эти законы оказалось возможным объяснить, исходя из совершенно новых - квантовых- представлений, впервые введённых немецким физиком М. Планк ом (1900). Для вывода закона распределения энергии в спектре теплового излучения - излучения нагретых тел - Планк предположил, что атомы вещества испускают электромагнитную энергию (свет) в виде отдельных порций - квантов света, энергия которых пропорциональна v (частоте излучения): E = hv, где h - постоянная, характерная для квантовой теории и получившая название Планка постоянной (См. Планка постоянная). В 1905 А. Эйнштейн дал квантовое объяснение фотоэлектрических явлений, согласно которому энергия кванта hv идёт на вырывание электрона из металла -Работа выхода Р - и на сообщение ему кинетическую энергии Т кин; hv = Р + T кин. При этом Эйнштейн ввёл понятие о квантах света как особого рода частицах; эти частицы впоследствии получили название Фотон ов.

Противоречия модели Резерфорда оказалось возможным разрешить, лишь отказавшись от ряда привычных представлений классической физики. Важнейший шаг в построении теории атома был сделан датским физиком Н. Бором (1913).

Постулаты Бора и модель атома Бора . В основу квантовой теории атома Бор положил 2 постулата, характеризующих те свойства атома, которые не укладывались в рамки классической физики. Эти постулаты Бора могут быть сформулированы следующим образом:

1. Существование стационарных состояний. Атом не излучает и является устойчивым лишь в некоторых стационарных (неизменных во времени) состояниях, соответствующих дискретному (прерывному) ряду «дозволенных» значений энергии E 1 , E 2 , E 3 , E 4 ,... Любое изменение энергии связано с квантовым (скачкообразным) переходом из одного стационарного состояния в другое.

2. Условие частот излучения (квантовых переходов с излучением). При переходе из одного стационарного состояния с энергией E i в другое с энергией E k атом испускает или поглощает свет определённой частоты v в виде кванта излучения (фотона) hv, согласно соотношению hv = E i - E k . При испускании атом переходит из состояния с большей энергией E i в состояние с меньшей энергией E k , при поглощении, наоборот, из состояния с меньшей энергией E k в состояние с большей энергией E i .

Постулаты Бора сразу позволяют понять физический смысл комбинационного принципа Ритца (см. выше); сравнение соотношений hv = E i - E k и v = T k - T i показывает, что спектральные термы соответствуют стационарным состояниям, и энергия последних должна равняться (с точностью до постоянного слагаемого) E i = - hT i , E k =- hT k .

При испускании или поглощении света изменяется энергия атома, это изменение равно энергии испущенного или поглощённого фотона, т. е. имеет место закон сохранения энергии. Линейчатый спектр атома является результатом дискретности возможных значений его энергии.

Для определения дозволенных значений энергии атома - квантования его энергии - и для нахождения характеристик соответствующих стационарных состояний Бор применил классическую (ньютоновскую) механику. «Если мы желаем вообще составить наглядное представление о стационарных состояниях, у нас нет других средств, по крайней мере сейчас, кроме обычной механики», - писал Бор в 1913 («Три статьи о спектрах и строении атомов», М.-Л., 1923, с. 22). Для простейшего атома - атома водорода, состоящего из ядра с зарядом +е (протона) и электрона с зарядом -e , Бор рассмотрел движение электрона вокруг ядра по круговым орбитам. Сравнивая энергию атома Е со спектральными термами T n = R/n 2 для атома водорода, найденными с большой точностью из частот его спектральных линий, он получил возможные значения энергии атома E n = -hT n = -hR/n 2 (где n = 1, 2, 3,...). Они соответствуют круговым орбитам радиуса а n = а 0 n 2 , где a 0 = 0,53·10 -8 см - боровский радиус - радиус наименьшей круговой орбиты (при n = 1). Бор вычислил частоты обращения v электрона вокруг ядра по круговым орбитам в зависимости от энергии электрона. Оказалось, что частоты излучаемого атомом света не совпадают с частотами обращения v n , как этого требует классическая электродинамика, а пропорциональны, согласно соотношению hv = E i - E k , разности энергий электрона на двух возможных орбитах.

Для нахождения связи частоты обращения электрона по орбите и частоты излучения Бор сделал предположение, что результаты квантовой и классической теорий должны совпадать при малых частотах излучения (для больших длин волн; такое совпадение имеет место для теплового излучения, законы которого были выведены Планком). Он приравнял для больших n частоту перехода v = (E n+1 - E n)/h частоте обращения v n по орбите с данным n и вычислил значение постоянной Ридберга R, которое с большой точностью совпало со значением R, найденным из опыта, что подтвердило боровское предположение. Бору удалось также не только объяснить спектр водорода, но и убедительно показать, что некоторые спектральные линии, которые приписывались водороду, принадлежат гелию. Предположение Бора о том, что результаты квантовой и классической теорий должны совпадать в предельном случае малых частот излучения, представляло первоначальную форму т. н. принципа соответствия. В дальнейшем Бор успешно применил его для нахождения интенсивностей линий спектра. Как показало развитие современной физики, принцип соответствия оказался весьма общим (см. Соответствия принцип).

В теории атома Бора квантование энергии, т. е. нахождение её возможных значений, оказалось частным случаем общего метода нахождения «дозволенных» орбит. Согласно квантовой теории, такими орбитами являются только те, для которых момент количества движения электрона в атоме равен целому кратному h/2π. Каждой дозволенной орбите соответствует определённое возможное значение энергии атома (см. Атом).

Основные положения квантовой теории атома - 2 постулата Бора - были всесторонне подтверждены экспериментально. Особенно наглядное подтверждение дали опыты немецких физиков Дж. Франка и Г. Герца (1913-16). Суть этих опытов такова. Поток электронов, энергией которых можно управлять, попадает в сосуд, содержащий пары ртути. Электронам сообщается энергия, которая постепенно повышается. По мере увеличения энергии электронов ток в гальванометре, включенном в электрическую цепь, увеличивается; когда же энергия электронов оказывается равной определённым значениям (4,9; 6,7; 10,4 эв ), ток резко падает (рис. 5 ). Одновременно можно обнаружить, что пары ртути испускают ультрафиолетовые лучи определённой частоты.

Изложенные факты допускают только одно истолкование. Пока энергия электронов меньше 4,9 эв, электроны при столкновении с атомами ртути не теряют энергии - столкновения имеют упругий характер. Когда же энергия оказывается равной определённому значению, именно 4,9 эв, электроны передают свою энергию атомам ртути, которые затем испускают её в виде квантов ультрафиолетового света. Расчёт показывает, что энергия этих фотонов равна как раз той энергии, которую теряют электроны. Эти опыты доказали, что внутренняя энергия атома может иметь только определённые дискретные значения, что атом поглощает энергию извне и испускает её сразу целыми квантами и что, наконец, частота испускаемого атомом света соответствует теряемой атомом энергии.

Дальнейшее развитие А. ф. показало справедливость постулатов Бора не только для атомов, но и для других микроскопических систем - для молекул и для атомных ядер. Эти постулаты следует рассматривать как твёрдо установленные опытные квантовые законы. Они составляют ту часть теории Бора, которая не только сохранилась при дальнейшем развитии квантовой теории, но и получила своё обоснование. Иначе обстоит дело с моделью атома Бора, основанной на рассмотрении движения электронов в атоме по законам классической механики при наложении дополнительных условий квантования. Такой подход позволил получить целый ряд важных результатов, но был непоследовательным: квантовые постулаты были присоединены к законам классической механики искусственно. Последовательной теорией явилась созданная в 20-х гг. 20 в. Квантовая механика . Её создание было подготовлено дальнейшим развитием модельных представлений теории Бора, в ходе которого выяснились её сильные и слабые стороны.

Развитие модельной теории атома Бора. Весьма важным результатом теории Бора было объяснение спектра атома водорода. Дальнейший шаг в развитии теории атомных спектров был сделан немецким физиком А. Зоммерфельдом. Разработав более детально правила квантования, исходя из более сложной картины движения электронов в атоме (по эллиптическим орбитам) и учитывая экранирование внешнего (т. н. валентного) электрона в поле ядра и внутренних электронов, он сумел дать объяснение ряда закономерностей спектров щелочных металлов.

Теория атома Бора пролила свет и на структуру т. н. характеристических спектров рентгеновского излучения. Рентгеновские спектры атомов так же, как и их оптические спектры, имеют дискретную линейчатую структуру, характерную для данного элемента (отсюда и название). Исследуя характеристические рентгеновские спектры различных элементов, английский физик Г. Мозли открыл следующую закономерность: квадратные корни из частот испускаемых линий равномерно возрастают от элемента к элементу по всей периодической системе Менделеева пропорционально атомному номеру элемента. Интересно то обстоятельство, что закон Мозли полностью подтвердил правоту Менделеева, нарушившего в некоторых случаях принцип размещения элементов в таблице по возрастающему атомному весу и поставившего некоторые более тяжёлые элементы впереди более лёгких.

На основе теории Бора удалось дать объяснение и периодичности свойств атомов. В сложном атоме образуются электронные оболочки, которые последовательно заполняются, начиная от самой внутренней, определёнными числами электронов (физическая причина образования оболочек стала ясна только на основании принципа Паули, см. ниже). Структура внешних электронных оболочек периодически повторяется, что обусловливает периодическая повторяемость химических и многих физических свойств элементов, расположенных в одной и той же группе периодической системы. На основе же теории Бора немецким химиком В. Косселем были объяснены (1916) химического взаимодействия в т. н. гетерополярных молекулах.

Однако далеко не все вопросы теории атома удалось объяснить на основе модельных представлений теории Бора. Она не справлялась со многими задачами теории спектров, позволяла получать лишь правильные значения частот спектральных линий атома водорода и водородоподобных атомов, интенсивности же этих линий оставались необъяснёнными; Бору для объяснения интенсивностей пришлось применить принцип соответствия.

При переходе к объяснению движений электронов в атомах, более сложных, чем атом водорода, модельная теория Бора оказалась в тупике. Уже атом гелия, в котором вокруг ядра движутся 2 электрона, не поддавался теоретической интерпретации на её основе. Трудности при этом не исчерпывались количественными расхождениями с опытом. Теория оказалась бессильной и в решении такой проблемы, как соединение атомов в молекулу. Почему 2 нейтральных атома водорода соединяются в молекулу водорода? Как вообще объяснить природу валентности? Что связывает атомы твёрдого тела? Эти вопросы оставались без ответа. В рамках боровской модели нельзя было найти подхода к их решению.

Квантовомеханическая теория атома. Ограниченность боровской модели атома коренилась в ограниченности классических представлений о движении микрочастиц. Стало ясно, что для дальнейшего развития теории атома необходимо критически пересмотреть основные представления о движении и взаимодействии микрочастиц. Неудовлетворительность модели, основанной на классической механике с добавлением условий квантования, отчётливо понимал и сам Бор, взгляды которого оказали большое влияние на дальнейшее развитие А. ф. Началом нового этапа развития А. ф. послужила идея, высказанная французским физиком Л. де Бройлем (1924) о двойственной природе движения микрообъектов, в частности электрона (см. Волны де Бройля). Эта идея стала исходным пунктом квантовой механики (См. Квантовая механика), созданной в 1925-26 трудами В. Гейзенберга и М. Борна (Германия), Э. Шрёдингера (Австрия) и П. Дирака (Англия), и разработанной на её основе современной квантовомеханической теории атома.

Представления квантовой механики о движении электрона (вообще микрочастицы) коренным образом отличаются от классических. Согласно квантовой механике, электрон не движется по траектории (орбите), подобно твёрдому шарику; движению электрона присущи также и некоторые особенности, характерные для распространения волн. С одной стороны, электрон всегда действует (например, при столкновениях) как единое целое, как частица, обладающая неделимым зарядом и массой; в то же время электроны с определённой энергией и импульсом распространяются подобно плоской волне, обладающей определённой частотой (и определённой длиной волны). Энергия электрона Е как частицы связана с частотой v электронной волны соотношением: E=hv, а его импульс р - с длиной волны λ соотношением: р = h/λ.

Устойчивые движения электрона в атоме, как показал Шрёдингер (1926), в некотором отношении аналогичны стоячим волнам (См. Стоячие волны), амплитуды которых в разных точках различны. При этом в атоме, как в колебательной системе, возможны лишь некоторые «избранные» движения с определёнными значениями энергии, момента количества движения и проекции момента электрона в атоме. Каждое стационарное состояние атома описывается при помощи некоторой волновой функции (См. Волновая функция), являющейся решением волнового уравнения особого типа - уравнения Шрёдингера; волновой функции соответствует «электронное облако», характеризующее (в среднем) распределение плотности электронного заряда в атоме (см. Атом , там же на рис. 3 показаны проекции «электронных облаков» атома водорода). В 20-30-х гг. были разработаны приближённые методы расчёта распределения плотности электронного заряда в сложных атомах, в частности метод Томаса - Ферми (1926, 1928). Эта величина и связанное с ней значение т. н. атомного фактора (См. Атомный фактор) важны при исследовании электронных столкновений с атомами, а также рассеяния ими рентгеновских лучей.

На основе квантовой механики удалось путём решения уравнения Шрёдингера правильно рассчитать энергии электронов в сложных атомах. Приближённые методы таких расчётов были разработаны в 1928 Д. Хартри (Англия) и в 1930 В. А. Фоком (СССР). Исследования атомных спектров полностью подтвердили квантовомеханическую теорию атома. При этом выяснилось, что состояние электрона в атоме существенно зависит от его Спин а - собственного механического момента количества движения. Было дано объяснение действия внешних электрических и магнитных полей на атом (см. Штарка явление (См. Штарка эффект), Зеемана явление). Важный общий принцип, связанный со спином электрона, был открыт швейцарским физиком В. Паули (1925) (см. Паули принцип), согласно этому принципу, в каждом электронном состоянии в атоме может находиться только один электрон; если данное состояние уже занято каким-либо электроном, то последующий электрон, входя в состав атома, вынужден занимать другое состояние. На основе принципа Паули были окончательно установлены Числа заполнения электронных оболочек в сложных атомах, определяющие периодичность свойств элементов. Исходя из квантовой механики, немецкие физики В. Гейтлер и Ф. Лондон (1927) дали теорию т. н. гомеополярной химической связи двух одинаковых атомов (например, атомов водорода в молекуле H 2), не объяснимой в рамках боровской модели атома.

Важными применениями квантовой механики в 30-х гг. ив дальнейшем были исследования связанных атомов, входящих в состав молекулы или кристалла. Состояния атома, являющегося частью молекулы, существенно отличаются от состояний свободного атома. Существенные изменения претерпевает атом также в кристалле под действием внутрикристаллического поля, теория которого была впервые разработана Х. Бете (1929). Исследуя эти изменения, можно установить характер взаимодействия атома с его окружением. Крупнейшим экспериментальным достижением в этой области А. ф. было открытие Е. К. Завойским в 1944 электронного парамагнитного резонанса (См. Электронный парамагнитный резонанс), давшего возможность изучать различные связи атомов с окружающей средой.

Современная атомная физика. Основными разделами современной А. ф. являются теория атома, атомная (оптическая) спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, радиоспектроскопия (она исследует также и вращательные уровни молекул), физика атомных и ионных столкновений. Различные разделы спектроскопии охватывают разные диапазоны частот излучения и, соответственно, разные диапазоны энергий квантов. В то время как рентгеновская спектроскопия изучает излучения атомов с энергиями квантов до сотен тыс. эв, радиоспектроскопия имеет дело с очень малыми квантами - вплоть до квантов менее 10 -6 эв.

Важнейшая задача А. ф. - детальное определение всех характеристик состояний атома. Речь идёт об определении возможных значений энергии атома - его уровней энергии, значений моментов количества движения и других величин, характеризующих состояния атома. Исследуются тонкая и сверхтонкая структуры уровней энергии (см. Атомные спектры), изменения уровней энергии под действием электрических и магнитного полей - как внешних, макроскопических, так и внутренних, микроскопических. Большое значение имеет такая характеристика состояний атома, как время жизни электрона на уровне энергии. Наконец, большое внимание уделяется механизму возбуждения атомных спектров.

Области явлений, исследуемых разными разделами А. ф., перекрываются. Рентгеновская спектроскопия измерением испускания и поглощения рентгеновских лучей позволяет определить главным образом энергии связи внутренних электронов с ядром атома (энергии ионизации), распределение электрического поля внутри атома. Оптическая спектроскопия изучает совокупности спектральных линий, испускаемых атомами, определяет характеристики уровней энергии атома, интенсивности спектральных линий и связанные с ними времена жизни атома в возбуждённых состояниях, тонкую структуру уровней энергии, их смещение и расщепление в электрическом и магнитном полях. Радиоспектроскопия детально исследует ширину и форму спектральных линий, их сверхтонкую структуру, сдвиг и расщепление в магнитном поле, вообще внутриатомные процессы, вызываемые очень слабыми взаимодействиями и влияниями среды.

Анализ результатов столкновений быстрых электронов и ионов с атомами даёт возможность получить сведения о распределении плотности электронного заряда («электронного облака») внутри атома, об энергиях возбуждения атома, энергиях ионизации.

Результаты детального исследования строения атомов находят самые широкие применения не только во многих разделах физики, но и в химии, астрофизике и других областях науки. На основании изучения уширения и сдвига спектральных линий можно судить о местных (локальных) полях в среде (жидкости, кристалле), обусловливающих эти изменения, и о состоянии этой среды (температуре, плотности и др.). Знание распределения плотности электронного заряда в атоме и её изменений при внешних взаимодействиях позволяет предсказать тип химических связей, которые может образовывать атом, поведение иона в кристаллической решётке. Сведения о структуре и характеристиках уровней энергии атомов и ионов чрезвычайно важны для устройств квантовой электроники (См.

АТОМНАЯ ФИЗИКА, раздел физики, в котором изучают строение и свойства атомов и элементарные процессы, связанные с ними. Атом - система электрически заряженных частиц, поэтому его строение и свойства определяются в основном электромагнитными взаимодействиями между частицами, действующими на расстояниях порядка 10 -8 см с энергией порядка 1 эВ.

Первые представления о существовании атомов как мельчайших неделимых и неизменных частицах вещества высказаны в 5-3 веках до нашей эры в Древней Греции (Демокрит, Эпикур и др.). В 17-18 веках, в период становления точного естествознания, атомистические представления развивали И. Кеплер, П. Гассенди, Р. Декарт, Р. Богинь, И. Ньютон, М. В. Ломоносов и др. Однако лишь в конце18 - начале 19 века экспериментальные исследования привели к созданию первых атомистических теорий. На основе количественных химических законов и законов идеальных газов в начале 19 века стала развиваться химическая атомистика (Дж. Дальтон, А. Авогадро, И. Берцелиус), а к середине 19 века были разграничены понятия атома и молекулы (С. Канниццаро). В 1869 году Д. И. Менделеев открыл периодический закон и создал периодическую систему химических элементов, носящую его имя. Атомистические представления легли в основу молекулярной физики, в частности кинетической теории газов (середина 19 века), и статистической физики (Р. Клаузиус, Дж. К. Максвелл, Л. Больцман, Дж. У. Гиббс). Одновременно развивалось учение о внутреннем атомном строении кристаллов и их симметрии (Р. Гаюи, О. Браве, Е.С. Фёдоров, немецкий кристаллограф А. Шёнфлис).

Построению современной атомной физики в начале 20 века предшествовали открытия электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) и радиоактивности (1895, А. Беккерель), которые опровергли мнение о неделимости атома. Важнейшим событием в атомной физике явилось открытие Э. Резерфордом в 1911 году атомного ядра, обладающего малыми по сравнению с атомом размерами и сосредоточившего в себе основную массу и положительный заряд атома. Резерфорд предложил так называемую планетарную модель атома: вокруг положительно заряженного массивного ядра двигаются по орбитам лёгкие отрицательно заряженные электроны. Однако в соответствии с законами классической электродинамики такой атом был бы неустойчивым, так как электроны при этом непрерывно излучали бы электромагнитную энергию и за доли секунды упали на ядро. В 1913 году Н. Бор создал теорию устойчивого атома, положив в её основу эмпирически введённые им квантовые постулаты (Бора постулаты).

1) атом может существовать только в дискретных стационарных состояниях, характеризуемых определёнными внутренними энергиями, причём, находясь в этих состояниях (на определённом уровне энергии), атом устойчив и не испускает электромагнитную энергию;

2) переходы между стационарными состояниями происходят скачкообразно (т.е. его энергия меняется не непрерывно, а скачкообразно); при таком переходе (квантовом переходе) атом поглощает или испускает определённую порцию электромагнитной энергии - квант энергии Е =hv ik , где h - постоянная Планка, a v ik - так называемая частота квантового перехода, определяемая энергиями стационарных состояний i и к, между которыми совершается переход.

Теория атома Н. Бора позволила объяснить не только устойчивость атома, но и линейчатость атомных спектров, наблюдавшиеся закономерности оптических и рентгеновских спектров, а также периодический закон Менделеева. Для определения возможных дискретных значений энергии атома водорода Бор предположил, что при очень малых v квантовые и классические результаты должны совпадать (так называемый соответствия принцип), и применил для описания движения электрона и вычисления его энергии классические законы электродинамики. Однако теория Бора оказалась неприменимой к атому гелия и более сложным атомам.

В 1923 году Л. де Бройль выдвинул гипотезу корпускулярно-волнового дуализма: всем частицам материи присущи свойства, как частицы, так и волновые свойства, каждой частице материи можно поставить в соответствие определённую длину волны. Идея де Бройля позволила объяснить существование стационарных состояний атома: возможны лишь такие из них, при которых длина волны электрона укладывается на его орбите целое число раз. Таким образом, электрон в определённом состоянии аналогичен стоячей волне с длиной λ, определяющей его энергию Е = hc/λ (где с - скорость света) и импульс ρ = h/λ. Развитие идеи де Бройля привело к созданию квантовой механики (В. Гейзенберг, М. Борн, Э. Шрёдингер), на основе которой была создана последовательная теория атома. В соответствии с этой теорией каждое стационарное состояние атома описывается волновой функцией, которая является решением Шрёдингера уравнения. Представления о движении электронов по определённым орбитам оказалось неправильным, так как невозможно одновременно точно указать координаты нахождения электрона в данной точке пространства и значение его импульса (неопределённостей соотношение, введённое В. Гейзенбергом в 1927). Можно лишь говорить о распределении электронной плотности или вероятности нахождения электрона в данный момент времени в данной точке пространства, что и определяет его волновая функция.

В 1925 году в теорию была введена (Дж. Уленбек и С. Гаудсмит) новая физическая величина - спин электрона - его собственный механический момент, с которым связан собственный магнитный момент электрона. Оказалось, что спином обладают и другие атомные частицы, и атом в целом. Учёт спина позволил объяснить расщепление уровней энергии и спектральных линий атома в электрическом и магнитных полях (Зеемана эффект и Штарка эффект), уяснить порядок расположения электронов в атомах различных химических элементов (смотри Паули принцип, Числа заполнения).

Квантовая механика объяснила образование ковалентной химической связи (1927, В.Гайтлер, Ф. Лондон), связь атомов в кристаллах, влияние на них внутрикристаллического поля (1929, Х. Бете), межатомные взаимодействия и так далее.

В 1930-х годах выяснилось, что в атомном ядре между входящими в него частицами действует не электромагнитное взаимодействие, а новый тип взаимодействия - сильное взаимодействие. Физика атомного ядра выделилась в самостоятельную область - ядерную физику. В 1940-50-х годах сформировались физика элементарных частиц и физика плазмы. Современная атомная физика включает теорию и экспериментальные методы исследования атомных спектров в оптическом, рентгеновском и радиодиапазонах. Она позволяет получать точные значения энергий стационарных состояний, моментов количества движения и других характеристик атомов, изучает механизмы их возбуждения, столкновительные и внутренние процессы. Эти данные необходимы для создания различных типов лазеров, для физики плазмы, решения астрофизической и космологической задач, для изучения электрических, магнитных и других свойств вещества. Уширение и сдвиг спектральных линий позволяет судить о локальных полях в конденсированных средах, вызвавших эти изменения, о температуре и плотности среды, измерять высокие давления и т.п. Распределение электронной плотности в конденсированных средах, которые определяют, например, методами рентгеновского структурного анализа, позволяет устанавливать характер межатомных связей.

Для определения точных значений атомных характеристик необходимо устранить влияние на атом окружающей среды и «остановить» его, так как движение атомов искажает их спектры (например, вызывает доплеровское уширение спектральных линий). Развитие методов изучения «холодных» (остановленных) атомов позволяет получать атомные спектры с шириной спектральных линий, близкой к естественной. Важным достижением науки явилось получение реального изображения отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа.

Литературу смотри при статье Атом.

В.И. Балыкин. М. А. Ельяшевич.

Атомная физика возникла на рубеже XIX и XX столетий на основе исследований оптических спектров газов, открытия электрона и радиоактивности. На первом этапе своего развития (первая четверть XX в.) атомная физика занималась главным образом выявлением строения атома и изучением его свойств. Опыты Э. Резерфорда по рассеянию а-частиц тонкой металлической фольгой (1908-1911) привели к созданию планетарной модели атома; используя эту модель, Н. Бор (1913) и А. Зоммерфельд (1915) разработали первую количественную теорию атома (см. Атом). Последующие исследования свойств электрона и атомов завершились созданием в середине 20-х гг. квантовой механики - физической теории, описывающей законы микромира и позволяющей количественно рассматривать явления, в которых участвуют микрочастицы (см. Квантовая механика).

Квантовая механика является теоретическим фундаментом атомной физики. В то же время атомная физика играет роль своеобразного «испытательного полигона» для квантовой механики. Представления и выводы квантовой механики, часто не согласующиеся с нашим повседневным опытом, проходят экспериментальную проверку в атомной физике. Ярким примером могут служить знаменитые опыты Франка - Герца (1913) и Штерна - Герлаха (1922); ниже остановимся на них подробнее.

К началу XX в. был накоплен богатый материал по оптическим спектрам атомов. Было установлено, что каждому химическому элементу соответствует свой линейчатый спектр, характеризующийся закономерным, упорядоченным расположением спектральных линий. Квантовая механика связывает наблюдаемые закономерности в спектре с системой энергетических уровней данного атома. В 1913 г. немецкие физики Дж. Франк и Г. Герц выполнили опыт, давший прямое экспериментальное подтверждение тому, что внутренняя энергия атома квантуется и поэтому может изменяться лишь дискретно, т. е. определенными порциями. Они измерили энергию свободных электронов, затрачиваемую на возбуждение атомов ртути. Основной элемент установки - стеклянный откачанный баллон с тремя впаянными электродами: катодом, анодом, сеткой (прообраз современного вакуумного триода). В баллоне находились пары ртути под давлением 1 мм рт. ст. Электроны, покинувшие катод, ускорялись в поле между катодом и сеткой (ускоряющее напряжение U) и затем тормозились в поле между сеткой и анодом (тормозящее напряжение U 1). На пути от катода к аноду электроны сталкивались с атомами ртути. Напряжение U 1 выбиралось значительно меньше, чем U\ поэтому от анода отталкивались только достаточно медленные электроны - те, которые потеряли энергий) в результате неупругих столкновений с атомами ртути. В опыте измерялась сила анодного тока в зависимости от ускоряющего напряжения U. Экспериментальная кривая имеет ряд четких максимумов, отстоящих друг от друга на 4,9 В. Вид этой кривой объясняется так. При U< 4,9 В столкновения электронов с атомами ртути являются упругими (возбуждение атомов не происходит), поэтому сила тока плавно нарастает с увеличением U. По достижении значения U = 4,9 В начинаются неупругие столкновения, связанные с возбуждением атомов ртути; в результате сила тока резко падает. При дальнейшем повышении U ток снова нарастает до тех пор, пока напряжение не достигнет 9,8 В, когда электрон оказывается в состоянии возбудить два атома. При достижении 14,7 В электроны способны испытать три неупругих столкновения с атомами ртути и т. д. При напряжении 4,9 В электрон приобретает энергию 4,9 эВ. Таким образом вид кривой 1(10 показывает, что для возбуждения атома ртути необходима энергия, равная 4,9 эВ. Это и есть, очевидно, та самая порция энергии, которой атом ртути обменивается с электроном.

При более тщательной постановке опытов этого типа удалось обнаружить возбуждение следующих энергетических уровней атомов: для ртути это 6,7; 8,3 эВ и т. д. (10,4 эВ - потенциал ионизации). Наблюдение свечения газа показывает при этом появление полного спектра для атомов ртути.

Движущийся вокруг атомного ядра электрон можно уподобить элементарному электрическому току; он порождает магнитное поле. Магнитные поля различных электронов, складываясь, образуют магнитное поле атома. Для его характеристики вводится векторная величина, называемая магнитным моментом. Если электроны полностью заполняют ту или иную оболочку (1s, 2s, 2р и т. д.), то их магнитные поля взаимно компенсируются; магнитные моменты соответствующих атомов равны нулю.

В 1922 г. в Германии О. Штерн и В. Герлах выполнили опыт, показавший, что магнитный момент атома пространственно квантуется. Они посылали пучок атомов, имеющих магнитный момент, сквозь неоднородное магнитное поле и исследовали отклонения атомов под действием этого поля. Степень и характер отклонения зависят от ориентации магнитного момента атома по отношению к направлению поля. Если бы в пучке находились атомы со всевозможными ориентациями магнитных моментов, то наблюдалось бы непрерывное угловое «размытие» первоначального пучка. На опыте же наблюдалось четкое расщепление пучка атомов на несколько пучков; это и означало, что магнитный момент атома пространственно квантуется - его проекция на направление магнитного поля может иметь лишь некоторые определенные (дискретные) значения.

Обратимся к распределению отклонений атомов натрия в неоднородном магнитном поле (оно получено в 1930 г.). Это распределение имеет два четких максимума. У атома натрия три заполненные оболочки (1s, 2s, 2р) и один 3s-электрон. Электронное облако s-электронов сферически симметрично (см. Атом), поэтому их движение в поле ядра не приводит к появлению магнитного момента. Чтобы объяснить наблюдаемое расщепление пучка атомов натрия на две составляющие, необходимо принять, что у электрона есть собственный магнитный момент, не связанный с движением электрона вокруг ядра. Этот магнитный момент условно связывают с вращением электрона вокруг собственной оси и называют спиновым моментом (см. Спин). Магнитный же момент электрона, связанный с его движением вокруг ядра, называют орбитальным моментом. Итак, в случае атома натрия взаимно скомпенсированы как орбитальные, так и спиновые моменты электронов заполненных оболочек; орбитальный момент 3s-электрона равен нулю, а спиновый момент этого электрона обусловливает расщепление пучка атомов натрия в неоднородном магнитном поле. Тот факт, что наблюдается расщепление на два пучка, означает, что спиновый момент электрона имеет две проекции на направление магнитного поля.

В 30-х гг. нашего столетия начался новый этап в развитии атомной физики. В эти годы выяснилось, что природа взаимодействий, ответственных за процессы внутри атомного ядра и объясняющих стабильность либо радиоактивность ядер, является совершенно иной по сравнению с взаимодействиями, обусловливающими процессы, происходящие в электронных оболочках атома (см. Единство сил природы). В связи с этим из атомной физики выделилось отдельное научное направление, связанное с исследованиями физики атомных ядер; в 40-х гг. это направление оформилось в самостоятельную физическую науку - ядерную физику. Наконец, в 50-х гг. от ядерной физики отпочковалось направление, связанное с изучением систематики и взаимопревращений элементарных частиЦ, - физика элементарных частиц.

В итоге выявился вполне определенный круг вопросов, составляющих содержание современной атомной физики. Ее не интересуют процессы, происходящие в атомном ядре, равно как и взаимопревращения элементарных частиц. Атомная физика изучает процессы с участием атомов или ионов, притом только такие процессы, которые не приводят к каким-либо изменениям в атомных ядрах. Следовательно, речь идет о процессах, затрагивающих лишь электронные оболочки атомов. К подобным

процессам относятся: изменения состояний электронов в атоме под действием внешних электрических или магнитных полей (так, под действием внешних полей происходит расщепление энергетических уровней атомов); поглощение и испускание атомами электромагнитного излучения (см. Спектроскопия, Рентгеновские лучи, Фотоэффект, Лазеры); столкновения атомов со свободными электронами, а также с другими атомами, ионами, молекулами (в результате столкновений с электронами или другими микрообъектами атомы могут возбуждаться, переходить из возбужденного состояния в менее возбужденное, превращаться в ионы, см. Электрический разряд в газах); взаимодействия электронных оболочек различных атомов, приводящие к образованию молекул и кристаллов. Все эти процессы обусловлены электромагнитным взаимодействием. Вероятности указанных процессов вычисляют, используя аппарат квантовой механики.

Современная атомная физика исследует также специальный тип атомов, называемых мезоатомами. Мезоатом возникает из обычного атома в результате замены одного из электронов мюоном (μ-), антимезоном (π-, К-), антипротоном либо отрицательно заряженным гипероном (см. Адроны, Лептоны). Существуют и аномальные «водородные» атомы - позитроний, мюоний, у которых роль протона играют позитроны или положительно заряженные антимюоны (μ+). Все эти атомы нестабильны; их время жизни ограничено временем жизни указанных выше частиц или процессами е+ е- и рр-аннигиляции. Мезоатомы образуются в процессе торможения частиц - в результате захвата отрицательно заряженных частиц кулоновским полем атомных ядер или при захвате позитронами и антимюонами атомных электронов. Опыты с различными аномальными атомами представляют большой интерес как для исследования свойств вещества, так и для изучения ядер и элементарных частиц.