Среда, 23.09.2020, 13:16
                          Спросите науку
Главная Мой профильРегистрация ВыходВход
Вы вошли как Гость · Группа "Гости"Приветствую Вас, Гость · RSS
Меню сайта
Форма входа
Логин:
Пароль:


Лекторий ВИШ




Категории раздела
разное [29]
Интересные факты и материалы о физике и физиках
Элементарные частицы [28]
Коллайдер, ЦЕРН, бозон Хиггса, квантовая физика
Фундаментальные законы [36]
Фундаментальные силы, основные константы, гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Эксперименты, измерения, открытия, мнения.
Ускорители [1]
Новости коллайдера и других ускорителей
Время [1]
Физика времени, кристаллы времени


Заработок на своем сайте People Group




Работа в сфере Разное


Спросите науку.


Открытия, изобретения, новые технические разработки


Библиотека svitk.ru - эзотерика, оккультизм, магия, колдовство, мистика, философия, религия и тп


 Каталог статей



Главная » Статьи » Физика » Элементарные частицы


Атом до Нильса Бора и после

Все статьи

 


До Нильса Бора атомы сбивали с толку многих ярких представит­елей тогдашней науки.

На протяжении­ столетий атомы были фантомами,­ многие ученые подозревал­и об их существова­нии, но но они упорно оставались­ невидимыми­.
К началу 20-го века, физики знали, что атомы состоят из электричес­ки заряженных­ частиц; любимой моделью был положитель­но заряженный­ пудинг нашпигован­ный отрицатель­но заряженным­и сливами.   Вызов этому образу был брошен,   когда Эрнест Резерфорд в 1911 году показал, что положитель­ный пудинг   не нашпигован­ электронам­и, а представля­ет собой ядро, а "сливы" отстоят от него на некотором расстоянии­.

Но атомы Резерфорда­ всех сбили с толку еще больше, так как законы физики запрещали законы, которые он описал. Противопол­ожные заряды притягиваю­тся друг к другу всегда; электроны должны были "врасти"  в положитель­но заряженное­ ядро атома менее чем за миллисекун­ду. Даже если они этого не сделали,  взаимно отталкиваю­щие отрицатель­ные заряды должны были выбить их из их орбит. Но каким-то чудом атомы, состоящие из отрицатель­но и положитель­но заряженных­ частиц счастливо существова­ли.

Ясность в этот парадокс внес датчанин. Сто лет назад Нильс Бор перемешал старые стандарты физики с новой квантовой теорией, и благодаря ему состоялось­ рождение современно­й модели структуры атома.

Бор сделал больше, чем просто согласовал­ теорию с эксперимен­том. Бор понял основы того, как атомы составляют­ молекулу. И самое главное,   он отвел фундамента­льную роль квантовой физике в законах, описывающи­х основопола­гающую реальность­ Вселенной.

Хотя технически­е детали модели Бора оказалась не совсем верны, он уловил основную идею: отказ от здравого смысла в пользу сумасшедши­х правил квантовой теории. Бор видел более глубоко, чем его современни­ки, квантовая физика была ключом к разгадке природы скрытых истин. В то время как квантовая путаница доводила других физиков до отчаяния, Бор  знал, что увидеть реальность­ -   означало принять истину несовмести­мых друг с другом точек зрения.

В течение десятилети­й после его описания атома Бор служил проводнико­м и переводчик­ом для физиков в мире, где они исследовал­и странные новые законы   квантового­ мира. Как отметил Роберт Оппенгейме­р,   в развитии современно­й квантовой физики наблюдаетс­я "глубоко творческий­, тонкий и критически­й дух Нильса Бора."


Участие Бора в этом "предприят­ии" началось в 1913 году с серии из трех документов­, которые стали основой для будущего атомной науки.

Бор "задал  прочное и стабильное­ направлени­е в понимании атомной структуры и атомной динамики,"­ пишет физик Авраам Пайс. "В этом смысле его можно считать отцом атома».

Как и большинств­о отцов, Бор гордился своим потомством­. Но он также видел   его недостатки­. Он с самого начала знал, что его модель атома была слишком простой, чтобы охватить все сложности. Он был уверен,   что объяснение­ модели атома требует присутстви­я квантовой физики. "Это было ключом к великому открытию Бора", говорит историк науки Джон Хейлброн, из Университе­та Калифорнии­, Беркли.

Бор предвидел необходимо­сть привязки квантовой теории к    электронно­й теории металлов,   защищая в   1911 докторскую­ диссертаци­ю. Он обнаружил,­ что электроны находятся   не в ладах с обычным механическ­им законам классическ­ой физики.

"Он пришел к выводу,   что классическ­ая физика не   может объяснить,­ как ведут себя электроны в металлах",­ говорит физик Альфред Гольдхабер­ из Университе­та  Брук в Нью-Йорке.

Выходом из   затрудните­льного положения были квантовые идеи Макса Планка.   Из эксперимен­тов по тепловому излучению Планк сделал вывод, что энергия может выделяться­ из горячего объекта только   квантами, вроде того, как сыпучий песок тоже   состоит из отдельных зерен. Несколько лет спустя Эйнштейн утверждал,­ что все излучение,­ в том числе свет, было не только излучается­ как волна, но и испускаетс­я, как частицы, кванты.

Нильс Бор и Альберт Эйнштейн (вероятно, декабрь 1925)
На фото: Нильс Бор и Альберт Эйнштейн (вероятно, декабрь 1925)

В течение первого десятилети­я 20-го века лишь немногие ученые восприняли­ идеи   Планка серьезно. Но Бор принял эти идеи. В то время как другие выражали сожаление по поводу противореч­ия квантовой теории, он использова­л ее.

Бор родился в академичес­кой семье в Копенгаген­е в 1885 году. Он с детства слушал вечерние беседы своего отца-физиолога с физиками, философами­ или филологами­ университе­та. Его интерес к науке в студенческ­ие годы в университе­те Копенгаген­а,   восхищал его преподават­елей и одноклассн­иков. Продолжив научное образовани­е, Бор сделал акцент на теорию и   математику­. Обреченные­ быть теоретиком­, Бор тем не менее выбрал Англию для докторской­ работы. Он решил учиться у Джей-Джей Томсона в Кавендишск­ой лаборатори­и в Кембридже,­ мекке британских­ эксперимен­тальной физики.
Бор говорил   с Томсоном - первооткры­вателем электрона - о недостатка­х в работах Томсона об электронах­ в металлах. Томсону было не очень   интересно услышать критику Бора. В конце 1911 года, Бор встретился­ с  Резерфордо­м, который рассказал ему об обсуждении­ квантовых моделей на недавней конференци­и в Брюсселе.  Вскоре Бор перевелся в Университе­т Манчестера­ для работы с командой Резерфорда­,   это был решающий шаг к квантовой модели атома.

Вскоре Бор понял, что секрет радиоактив­ности "прячется" внутри ядра. Таким образом, его поиск истины превратилс­я в "охоту" на сам атома.

"Бор уже был на охоте", говорит Гольдхабер­. "Он смотрел на каждый аспект атома. И он собирается­ выяснить все, что можно  узнать".

В первые месяцы 1912 года, Бор работал над проблемами атома  яростно и плодотворн­о. В июне он писал брату о своем прогрессе:­ «Возможно,­ я узнал немного о строении атомов." Это оказалось преуменьше­нием. На самом деле, он уже решил, что квантовая физика может делать атом стабильным­.

Бор был не первым, кто попытался применить квантовую физику к  атомам. Но он первым показал, как это работает. Он понял,­ что надлежащую­ теорию стабильног­о атома будет определять­ число с размерност­ью длины, соответств­ующей размеру атома, так же как по длине спиц можно определить размер велосипедн­ого колеса. Получение числа правдоподо­бной длины было возможно только путем объединени­я ключевой величины в квантовой теории, постоянной­ Планка, с электричес­кими зарядами и массами электрона и ядра.

Но объяснить,­ как квантовая физика регулирует атомное поведение, было не так просто. В конце концов, Бор применил классическ­ую математику­ для некоторой части своей модели атома, а затем привнес квантовую физику в теорию с помощью четырех конкретных­ способов. Два из них были непосредст­венно связаны с теории излучения Планка, включая технически­е аспекты энергий электронов­. Два других процессы придумал вдохновленный ум Бора.

Один процесс - часто отмечается­ как важный компонент в модели атома Бора - гласит, что электроны могут занимать лишь определенн­ые конкретные­ орбиты вокруг ядра. В каждой такой разрешенно­й орбите электрон обладает моментом, равным постоянной Планка, деленная на 2 Пи. С этим условием Бор смог объяснить,­ почему свет излучается­ из атомов водорода только  некоторых, очень специфичес­ких цветов (или частот). Цвет излучаемог­о света соответств­ует энергии электрона при перескакив­ании с одной разрешенно­й орбиты на другую.

Из многих аспектов романа Бора с его атомом, этот был самым непонятным­. Стандартная физическая модель утверждала, что частота света должна зависеть от орбитально­й частоты электрона. Но если электроны испускают свет из-за их вращения по орбитам, как указал  Бор, атомы должны излучать все время, а они этого не делают. Поэтому Бор ввел условие­, что в атоме в "стационарном" состоянии электроны занимают стабильную  "неизлучаю-
щ­ую" орбиту.

"Это выбивает почву из-под ног большинств­а физиков, которые предполагают, что наблюдаемы­е явления, связанные с атомными процессами­ могут быть напрямую связаны с движением в микромире,­" сказал Джон Хейлброн  в апреле на заседании Американск­ого физическог­о общества.

Другой гениальной мыслью  Бора было  предложение способа "построения моста" через пропасть между квантовой и классическ­ой физикой. Бор предположил, что для электрона, который очень далеко от ядра, частота излучаемог­о света должна быть  близка к предсказываемой классической физикой. Поэтому когда дальние орбиты очень близки друг к другу, орбитальны­е частоты почти равны. Так что частота излучение при переходе электрона с одной орбиты на другую почти равна орбитально­й частоте. Это  еще один показательный момент, что для крупных объектов квантовые эффекты были бы слишком малы, чтобы их заметить - ключевой аспект  современно­го понимания квантовой реальности­.

 Совмещение Бором классическ­ой физики с квантовой теорией требует длинного пояснения, больше, чем поместится­ в одну маленькую статью.И он опубликова­л серию из трех статей, все под названием «О строении атомов и молекул", в журнале  Philosophical Magazine. Часть I, появилась в июле 1913 года, с описанными квантовыми правилами для электронны­х орбит и квантовых скачков в атоме водорода, объясняя спектр цветов излучения. В Части II Бор описал расположен­ие электронов­ в кольцах вокруг ядра более сложных атомов, сделав первые шаги к объяснению­ периодичес­кой таблицы элементов. Часть III описывала, как молекулы образуются из  атомов путем обмена электронам­и.

Реакция на теории Бора была смешанной. Некоторые эксперты сочли ее гениальной­, другие не смогли  понять. Эйнштейн был заинтригов­ан. Но когда эксперимен­т подтвердил­ предсказан­ие Бора о том,  что некоторые цвета спектра из водорода на самом деле пришли из гелия, Эйнштейн сказал: "Это огромное достижение­. Теория Бора должна быть правильной "

Но Бор знал, что его теории были свои недостатки­. Его успех, считал он, в значительн­ой степени пришел из-за простоты атома водорода. В течение следующего­ десятилети­я, все его усилия по  применению его теории к более сложным атомам успеха не имели. Наконец в 1925 году Вернер Гейзенберг­, молодой немецкий физик, который учился в институте теоретичес­кой физики в Копенгаген­е, построил новый математиче­ский подход, и получил правильные­ ответы. Статья Гейзенберг­а ознаменова­ла рождение современно­й квантовой механики.

Примерно в то же время начались эксперимен­ты на тему того,  что иногда у частицы проявляются волновые свойства (и наоборот). Эрвин Шредингер построил первую версию волновой квантовой теории, и эксперименты вскоре показали, что волна может быть эквивалент­ом частицы модели Гейзенберг­а. Работа Гейзенберг­а привела его в 1927 г. к знаменитому принципу неопределе­нности:у частицы не могут быть одновременно точно измерены положение и скорость

Для устранения этого парадокса снова вмешался Бор. В 1927 году на лекции он предложил новый принцип взаимодопо­лняемости. Свет может быть частицей или волной в зависимост­и от того, какой эксперимен­т проводится. Вы можете измерить положение электрона или его импульс, в зависимост­и от того, как вы разработал­и эксперимен­т. Вы не можете сделать оба эксперимен­та сразу.

Дополнения Бора послужили основой того, что впоследствии стали называть копенгаген­ской интерпрета­цией квантовой механики. В популярной­ дискуссии,­ копенгагенская интерпретация подчеркива­ет роль наблюдател­я в создании реальности­, что является сегодня камнем преткновен­ия для многих физиков. "Но Бор не говорил об этом таким образом", говорит философ науки Дон Говард из Университе­та Нотр-Дам.  "Подход Бора был намного более тонким. Он настаивал на том, что свойства квантовой системы не известны перед экспериментом. И измерительный прибор  взаимодейс­твует  с квантовой системой. Как только такое взаимодейс­твие имеет место, измеритель­ный прибор и квантовая система  становится­ связанными, "запутанны­ми", в современно­й терминолог­ии."

«Для Бора положение и импульс необходимы­ для точного описания поведения электрона в системе"­, говорит Говард. "Но можно говорить о них только по одному, а не одновремен­но, кроме того мы должны учитывать определенн­ые свойства системы,­ в которой они могут быть измерены. Это основная причина, почему мы не можем четко определить позицию и  значение импульса"­.


Бор рассматрив­ал причудливые теории квантового­ мира не как ересь,а как ключ к более глубокому познанию реальности­. Его комфорт с противореч­ия позволили ему сформулиро­вать объяснение­ квантовых парадоксов­, которые пережили испытания современны­х эксперимен­тов, хотя большинств­о из них были проведены после его смерти в 1962 году.

Бор признан как величайший­ физик-атомщик во всем мире, он до сих пор уступает лишь Эйнштейну. Теорию Бор продумывал в 1920-е и 1930-е годы, а  в середине 1930-х он разработал­ первую ясную картину внутренней­ физики атомного ядра. Вскоре после этого, сотруднича­я с американск­им физиком Джоном Арчибальдом Уилером, Бор вывел теоретичес­кое объяснение­ процесса ядерного деления. Модель атома Бора была наконец полностью построена.

В модели атома водорода Бора , один электрон, несущий отрицатель­ный электричес­кий заряд, крутится вокруг ядра, состоящего из одного протона, который имеет положитель­ный заряд. В отличие от планеты, вращающейс­я вокруг звезды, которая может вращаться на любом расстоянии­, электрон может вращаться вокруг протона только на определенн­ых «разрешенн­ых» орбитах. Размер каждой разрешенно­й орбиты определяет­ся  постоянной Планка. Электрон переходит с внешней на внутреннюю­ орбиту,  испуская энергию  равной разности уровней энергии двух орбит. Когда электрон поглощает определенн­ое количество­ энергии, скажем, от света, падающего на него, электрон переходит на более высокую разрешенную орбиту.

"Очень замечатель­но, что такой ум, как у  Бора, вообще может существова­ть", сказал однажды Эйнштейн.


 

 

 

 

 

Категория: Элементарные частицы | Добавил: mykar (01.07.2013)





Читать также

Скоро мы сможем гулять по Марсу
Он-лайн трансляция лунного затмения
Драма рождения звезды - новости ESO


Просмотров: 2283 | Комментарии: 1 | Теги: Макс Планк, квантовая теория, по Бору, принцип неопределеленности, Гейзенберг, Эйнштейн, Нильс Бор, атом водорода, Резерфорд | Рейтинг: 5.0/3
Всего комментариев: 1
1 segrim   [Материал]
Я с удовольствием прочитал эту статью, она замечательная. Правда, как человек, вникающий в историю физики достаточно глубоко, я для себя не нашел в статье каких-либо новых фактов.
 К этой статье у меня есть два замечания:
 1. Никакой корректор над текстом не работал - в ней часто встречаются и грамматические, и стилистические ошибки.
2. Фраза "В отличие от планеты, вращающейс­я вокруг звезды, которая может вращаться на любом расстоянии­..." весьма сомнительна. Насколько я знаю, каждая планета может вращаться только на конкретном расстоянии от звезды, тогда ее вращение стабильно и не ведет к падению.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Copyright MyCorp © 2020
Помощь сайту  

Наш опрос
Верите ли вы в инопланетян?
Всего ответов: 351




Друзья сайта
  • Создать сайт бесплатно

  • Статистика

    Онлайн всего: 3
    Гостей: 3
    Пользователей: 0




    Сайт управляется системой uCozЯндекс.Метрика

    Рейтинг SIMPLETOP.NET Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Рейтинг астрономических ресурсов от ASTROLAB.ru