Теорія Бору із самого початку викликала багато питань, що залишалися без відповіді. Ці питання були поставлені Резерфордом ще під час обговорення рукопису його першої статті. Як розуміти сполучення ідей Бору й класичної механіки, у якій немає місця для квантових стрибків, і звідки електрон знає, на яку орбіту йому варто перескакувати?

В 1896 р. голландський фізик Питер Зееман (1865-1943) зробив досвід, що намагався здійснити ще Фарадей. Полум’я натрієвого пальника він поміщав між полюсами електромагніта й спостерігав у спектроскоп її спектр. По осі електромагніта був просвердлений канал, так що явище можна було спостерігати не тільки перпендикулярно силовим лініям поля (поперечний ефект), але й уздовж поля (поздовжній ефект). При спостереженні поперек поля, крім лінії із частотою коливань vo , рівній частоті коливань під час відсутності поля, спостерігалися дві лінії із частотами v 1 = v 0 - D v і v 2 = v 0 - D v . Всі три лінії лінійно поляризовані. Незміщена лінія відповідає коливанням уздовж силових ліній, зміщені - коливанням, перпендикулярним силовим лініям. При спостереженні уздовж поля незміщений компонент відсутня, зміщені лінії поляризовані по колу в протилежні напрямках

Лоренц в 1897 р. дав просту теорію ефекту, виходячи з подань, що в атомах електрони роблять кругові рухи із циклічною частотою w 0 . У магнітному полі на них діє сила Лоренца й частота звертання змінюється на величину D w , рівну приблизно:

Лармор ( 1857-1942) в 1899 р. інтерпретував дію магнітного поля як дія поля ваги на вовчок. Вовчок прецессирует навколо напрямку сили ваги з кутовою частотою D w . Точно так само обертові електрони в атомі прецессируют навколо силових ліній магнітного поля із круговою частотою .

Зоммерфельд, розвиваючи теорію Бору, увів ідею просторового квантування. Рух електрона по орбіті визначається радіальними й азимутальним квантовими числами або головним квантовим числом п, що визначає енергію електрона, і побічним квантовим числом k , що визначає форму орбіти. Положення орбіти в просторі визначається третім магнітним квантовим числом т. Введення цього числа й квантування напрямків осі стосовно магнітного поля дозволяє дати пояснення ефекту Зеемана. Однак це пояснення у відомому змісті було гірше пояснення, даного Лоренцем. Воно нічого не говорило про поляризацію ліній. Взагалі теорія спектрів, по Борі й Зоммерфельду, говорила лише про частоти ліній і не могла пояснити їхню інтенсивність і поляризацію. Щоб теорія могла щось сказати про це, Бор увів принцип відповідності

Відповідно до цього принципу «існує далеко, що йде відповідність,» між квантовим і класичним описом випромінювання. У квантовому описі лінії спектра випромінювання обумовлені переходами з одного стану в інше, у класичному цій лінії визначаються розкладанням руху електрона в ряд Фур’є. При цьому, як указує Н. Бор, «частота випромінювання, що випускається при переході між стаціонарними станами, характеризуемими числами п’ і п” , більшим у порівнянні з їхньою різницею, збігається із частотою однієї з компонентів випромінювання, яку можна чекати при вибраному русі електрона в стаціонарному стані на підставі звичайних подань. Далі Бор пише: «Задаючись питанням про більше глибоке значення знайденої відповідності, ми вправі, природно, очікувати, що відповідність не обмежується збігом частот спектральних ліній, обчислених тим і іншому методу, але простирається й на їхній інтенсивності. Таке очікування рівносильне тому, що ймовірність певного переходу між двома стаціонарними станами зв’язана відомим образом з амплітудою, що відповідає гармонійному компоненту».

Застосування принципу відповідності дозволило визначити й поляризацію в нормальному ефекті Зеемана. Квантовий перехід, що відповідає зміні магнітного квантового числа на ± 1, дає кругову поляризацію в площині, перпендикулярної до силових ліній. Квантовий перехід Am = 0 відповідає лінійній поляризації, паралельної силовим лініям

Але нормальний ефект Зеемана представляє скоріше виключення, чим норму. На досвіді зустрічається більше складний ефект: розчленовування на кілька компонентів (мультиплетів). Мультиплетами виявляються й лінії спектрів елементів. Аномальний ефект і мультиплетна структура спектрів не укладалися в рамки звичайної теорії Бору

З питанням про складну структуру ліній було тісно зв’язане питання про магнітні властивості атома. Ще Д. С. Рождественський у своїй доповіді 15 грудня 1919 р. припускав, що дублети п триплети спектральних ліній обумовлені дією магнітних сил, ви кликаних рухом електронів. «Магнітне завдання повинна лежати в основі завдання про атоми», -говорили Різдвяний

О.Штерн ( 1888-1969) і В. Герлах (род. в 1889 р.) в 1921 р. пропустили молекулярний пучок через неоднорідне магнітне поле й незаперечно довели наявність в атомів магнітного моменту. Але деталі досвіду (розщеплення пучка на два) знову не укладалися в теорію Бору - Зоммерфельда.

У тім же, 1921 р. А.Ланде ( 1888-1975) дав формальну схему опису мультиплетів за допомогою векторної моделі й увів пов’язаний із квантовими числами k і s множник Ланде. Він також одержав «подвійний магнетизм»: відношення між магнітним і обертальним моментом атомного кістяка (тобто ядра й всіх електронів, крім оптичного) виявилося вдвічі більш того, котрий треба з теорії Бору - Зоммерфельда. Протиріччя з теорією Бору в її первісному варіанті накопичувалися на кожному кроці, і квантовий опис спектроскопічних фактів усе більше й більше ускладнювалося

Особливо тяжке положення створилося в теорії світла. ейнштейн у своїй класичній роботі 1917 р. про світлові кванти зробив подальший крок убік корпускулярної теорії світла. Він припустив, що атом випромінює, «вистрілюючи» квант світла в тім або іншому напрямку (голчасте випромінювання). При цьому квант світла має всі властивості матеріальної частки: енергією Е = hv , масою m .

Ця ідея знайшла блискуче підтвердження у відкритті, зробленому американським фізиком Артуром Комптоном. В 1922 р. Комптон , вивчаючи розсіювання рентгенівських променів речовиною, що містить слабко зв’язані електрони (графітом), установив, що частота (довжина хвилі) неуважних рентгенівських променів змінюється залежно від кута розсіювання. Зі збільшенням кута розсіювання вона зменшується (довжина хвилі збільшується), випромінювання стає більше «м’яким».

В 1923 р. А. Комптон і незалежно від нього П.Дебай дали теорію «ефекту Комптона». Теорія була заснована на ідеї ейнштейна: квант світла зіштовхується з електроном за законом пружного удару. Застосовуючи закони збереження енергії й імпульсу, Комптон і Дебай одержали формулу для зміни довжини хвилі неуважного випромінювання:

Дебай написав цю формулу в трохи зміненому виді. Це просте й наочне пояснення ефекту в сильному ступені сприяло зміцненню подання про квант світла як частці, для якої Комптоном був запропонований термін «фотон», що став загальновживаним

ДО 1924 р. у науці про світло створилося тяжке положення, що дуже наочно охарактеризував О. Д. Хвольсон. Розділивши крейдою дошку на дві частини Л и В, він вписав на одній стороні факти, що пояснюються хвильовою теорією світла, на іншій- факти, що пояснюються квантовою теорією. «Ні хвильова, ні квантова теорії, - говорив у зв’язку із цим принимавший участь у з’їзді еренфест, -не в змозі охопити всі області світлових явищ». Всеосяжної теорії світла, як це констатував Хвольсон, не було

У пошуках виходу з важкого положення автори запропонували навіть відмовитися від вимоги застосування закону збереження енергії до окремих актів випромінювання й поглинання світла атомом. Однак гіпотеза Бору, Крамерса й Слетера була спростована експериментами, у яких доводилося, що кожний акт взаємодії світла з речовиною підкоряється закону збереження енергії

Ідеї де Бройля

В 1923 р. у доповідях Паризької Академії наук були опубліковані три статті французького фізика Луи де Бройля: «Хвилі й кванти», «Кванти світла, дифракція й інтерференція». «Кванти, кінетична теорія газів і принцип ферма», у яких висувалася зовсім нова ідея, що переносить дуалізм у теорії світла на самі частки матерії

Він розглядає деякий хвильовий процес, пов’язаний з тілом, що рухається зі швидкістю v = b с. Ця хвиля має частоту, обумовленої співвідношенням E = h v = mc 2 , і рухається в напрямку руху тіла зі швидкістю u = c b .

Pages: 1 2