БОРА АТОМ. После открытия Э. Резерфордом существования ядра атома, ученых больше всего смущало одно трудно объяснимое обстоятельство* по законам классической физики (электродинамики) отрицательно заряженные электроны, вращаясь во­круг положительно заряженного ядра, должны были непрерывно терять (излучать) свою энергию и в конце концов упасть на него. Однако этого почему-то не случалось. Вращаясь вокруг ядра, электроны никакой энергии не теряли и не излучали, и все­общей гибели Вселенной не состоялось. Естественно, напрашивался вывод: либо неверны законы клас­сической физики, либо движение атомных частиц подчиняется каким-то иным законам.
Выход из создавшегося положения был подсказан в 1913 г. известным датским физиком Нильсом Бо­ром, предложившим модель атома, известную как «атом Бора — Резерфорда». В основу этой модели были заложены три допущения: 1) электроны дви­жутся вокруг ядра атома под действием сил притя­жения, реально существующих и имеющих опре­деленную величину; 2) атом водорода при его воз­буждении испускает видимый свет не сплошным спектром, а только определенной, строго фикси­рованной частоты (длины волны) и, наконец, 3) фо­тон света с данной частотой имеет строго определен­ную величину энергии.
В силу первого обстоятельства электрон, вполне естественно, стремится притянуться и упасть на ядро. В то же время он обладает некоторой потенциальной энергией, зависящей от расстояния, на котором этот электрон находится от ядра. На разных рас­стояниях его потенциальная энергия, естественно, различна. Чем дальше от ядра, тем она больше. Приближаясь к ядру, электрон столь же естествен­но должен терять и часть своей потенциальной энер­гии. Короче говоря, каждому радиусу вращения электрона вокруг ядра соответствует и определен­ный энергетический уровень. Поскольку же возбуж­денный атом испускает свет лишь определенной частоты, а тем самым и определенной энергии фото­нов, Бор пришел к заключению, что у электрона при вращении вокруг ядра атома могут быть лишь определенные, строго фиксированные энергетиче­ские уровни, а следовательно, и орбиты. «Пока электрон находится на такой орбите, он не испускает никакого света, а следовательно, и не теряет ника­кой энергии».
Испускает же он свет только тогда, когда пере­скакивает с орбиты с более высоким уровнем энер­гии на орбиту с более низким уровнем энергии. Обычно электрон пребывает на орбите с наимень­шим значением энергии. Это его основное состояние. Но атом можно возбудить в такой степени, что он, поглотив извне двойную или большую кратную дозу квантов энергии, может перевести электрон сразу на одну из более удаленных от ядра орбит, возвра­щаясь откуда в основное состояние, электрон может излучить квант света двойной или большей, но обя­зательно кратной энергии (частоты). Отсюда следу­ет, что электрон в атоме водорода не может распо­лагаться где угодно — на любом энергетическом уровне, а только на строго определенных орбитах.
Модель Бора прекрасно согласовывалась с дан­ными экспериментов, но лишь для атома водорода. Для других атомов все оказывалось значительно сложнее. Кроме того, она не отвечала на главный вопрос: почему все же электрон рано или поздно не падает на ядро?
Ответ на последний вопрос попытался дать фран­цузский физик Луи де Бройлъ. Он предложил рас­сматривать быстро движущуюся частицу (электрон) одновременно и как частицу, и как волну. Связь между свойствами волны и частицы, по его гипоте­зе, выражается соотношением X = h/mv, где т — масса частицы; v — ее скорость; К — длина волны; h — постоянная Планка. Из этого соотношения сле­дует, что чем больше момент количества движения (произведение массы частицы на ее скорость), тем короче длина волны. Когда электрон движется по­добно волне света и вереница таких волн укладыва­ется целое число раз по-длине окружности орбиты электрона, они усиливают друг друга, т. е. воз­никают устойчивые колебания, или так называе­мые стоячие волны. Приходя же в каждую точку орбиты не в такт, они взаимно гасятся. Эти особые окружности, длина которых кратна длине волны электрона, только и могут быть орбитами элект­рона.
В последующем модель атома Бора претерпела ряд серьезных, более сложных и тонких изменений в работах таких выдающихся физиков, как Зоммер-фельд, Гейзенберг, Борн, Шредингер, Паули, Дирак и др.