Квантові постулати Бора — відкриття, правила, формули

Багато процесів, що протікають в атомах, вчені довгий час не могли зрозуміти і пояснити. Фундаментом для повноцінного вивчення квантової фізики стали постулати Бора.

Це три висновки, які були виведені в ході спостережень і численних експериментів за поведінкою найдрібніших частинок. Були зроблені формулювання, які лягли в основу нової теорії і повністю витіснили всі уявлення про класичну фізику.

Відкриття теорії та її значення

У фізиці, як і в інших науках, є велика кількість різних напрямків, один з них присвячений вивченню будови і поведінки атомів. Величезний внесок у розвиток квантової науки зробив вчений Нільс Бор. На початку XX століття він запропонував свою теорію і розповів світу про те, які процеси були виявлені в найдрібніших частинках.

Всього було сформовано 3 постулати. Данський фізик проводив спостереження за атомами будь-яких речовин. Основу виведеної неокласичної теорії становили вже відкриті раніше правила і моделі:

• принципи квантового характеру випускання і процеси поглинання найдрібнішими частинками променів світла;
• модель Резерфорда, що раніше не використовувалася в курсі фізики (масивне ядро в центрі атома з рухомими навколо електронами);
• формула Бальмера-Рідберга, що демонструє експериментальні закони, що пояснюють лінійчастий спектр молекули водню.

Використовуючи ці дані та класичні теорії, Нільс Бор представив нові описи руху електрона. Це і є знамениті постулати Бора, які стали незамінними відомостями для квантової механіки.

Оскільки вчений проводив свої дослідження з атомами водню, то виведені ним твердження відносяться саме до водневих і воднеподібних молекул. Це найдрібніші частинки, в яких є ядро і протон, що рухається навколо нього.

Попри велике значення відкритих постулатів для подальшого розвитку науки, не всі результати досліджень і висновки експерта були визнані іншими фахівцями. Деякі твердження були повністю оскаржені і спростовані.

До групи критиків входив навіть знаменитий Альберт Ейнштейн, який не сприймав теорії Бора всерйоз. Однак виведені закономірності серйозно вплинули на становлення фізики:

• на момент їх представлення автором вони вважалися єдиним логічним поясненням процесів, що протікають у найдрібнішій частинці;
• була точно з’ясована закономірність переміщення протонів;
• після виведення правила квантування повністю підтвердилася правдивість закону Д. Менделєєва і складеної ним таблиці;
• вдалося пояснити закономірності рентгенівського та оптичного випромінювань.

Твердження Бора були визнані фундаментом для створення теорії про поділ ядра, а також про вимірювання швидкості даного процесу. Таким чином, данський фізик своїми проведеними експериментами дав величезний поштовх для подальшого вивчення атомів.

Правила квантової теорії

Квантові постулати Бора представлені у вигляді правил і зроблених висновків. Відповідно до першого, в системах, утворених атомами, енергія існує тільки за умови, що вони знаходяться в спеціалізованому стані. В інших випадках віддача енергії в навколишнє середовище не відбувається.

Перший постулат Бора різко суперечив тим знанням, які були отримані в результаті вивчення квантової механіки. Згідно з попередніми аксіомами, всі електрони і атоми мають певну енергію. Крім того, були виявлені і розбіжності з області електромагнетизму. У XIX столітті Максвелл представив теорію, згідно з якою молекулярні частинки можуть рухатися взагалі без випромінювання.

Другий постулат називається правилом частот і свідчить, що в момент переходу атома з одного стаціонарного стану з якоюсь енергією в інший стан, відбувається випромінювання або поглинання кванта. Його число дорівнює різниці між значеннями Е у двох станах. Це правило передбачає і можливість зворотного переходу, тобто повернення частинки в той стан, при якому в ній зберігається більше енергії.

У третьому постулаті Бору зроблено висновок, що при переході електрона в атомі або атома в молекулі з однієї орбіти на іншу відбувається поглинання або вивільнення (випромінювання) енергетичних потоків. Вони виділяються так званими квантами, які можна виміряти і пояснити науково. Відкриття цього правила зіграло велику роль у вивченні процесів оптики, оскільки було доведено, що при обертанні частинки можуть випромінювати тільки ті світлові спектри, які можуть і поглинати.

Невід’ємною частиною процесу досліджень Бора є правило квантування. Воно визначає закономірність, згідно з якою описуються рівні енергії електронів відповідно до їх стаціонарних значень, які вони займають на орбіті.

Ці висновки Бор постулював для того, щоб представити модель атома, найпростішу і найточнішу за весь час. Іншими словами, коефіцієнт енергії атома залежить від положення електрона або атома на орбіті.

На цій підставі, спираючись на закони механіки Ньютона, Бор зумів обчислити мінімально можливе значення радіуса орбіти, а також показники енергії при стаціонарних станах електронів і атомів.

Завдяки роботі фізика, наступні покоління вчених змогли достовірно вивчити загальні питання, що стосуються поділу ядер атомів.

Вивчення лінійчастих спектрів

Одна з основних характеристик атома – спектри їх випромінювання. Це набір властивих їм оптичних властивостей, які являють собою окремо розташовані спектральні лінії або їх групи. У кожного елемента є свій, тільки йому характерний спектр, який вчені вважають свого роду «відбитком пальця». Це дозволяє ідентифікувати елемент, до якого він відноситься.

Найбільш вивченим вважається атом водню, оскільки саме він ліг в основу постулатів Бора.

Це найпростіша частинка, дослідження якої показали, що для неї характерний лінійчастий спектр, що складається з багатьох серій:

• ультрафіолетова область (серія Лаймана);
• видима область Бальмера;
• інфрачервона частина спектра (серія Пашена);
• серія Брекета;
• серія Хемфи.

У найпростішому водневому атомі міститься тільки один електрон. Його ядро являє собою протон – частинку, що має позитивний заряд. Дослідження Нільса Бора в XIX столітті дозволили зробити висновок про те, що в випромінюванні атома присутні спектральні лінії.

Випромінювання енергії відбувається при переході частинки з одного стану в інший. Для отримання цього значення використовується другий постулат Бору і формула визначення Е.

Вчений зміг довести, що при підвищенні густини атомного газу відбувається розширення спектральних ліній, і при максимальному значенні вони практично перекривають один одного, утворюючи безперервний єдиний спектр.

Вивчення лінійчастих спектрів має величезне значення, оскільки структура їх нерозривно пов’язана з будовою атомів. Саме на цьому базується спектральний аналіз — процес визначення хімічного складу речовин.

Таким чином, представлена Нільсом Бором неокласична теорія дозволила дати старт поглибленому вивченню квантової фізики. Однак вчені досі вважають її обмеженою і з рядом недоліків.

Постулати Бора тільки коротко дозволили визначити особливості спектра випромінювання найпростішої частинки водню, але не змогли визначити розподіл інтенсивностей в ньому. Крім того, ця схема не може використовуватися для визначення більш складних спектрів.

Послідовником досліджень і навчань Бора став вчений де Бройль, який вивів нову ідею про зображення електронних і механічних властивостей і поведінки частинок. Це дозволило вивести квантову фізику на принципово новий рівень.