1) электрон может двигаться вокруг ядра, не излучая энергию только по определенным круговым орбитам;
2) при переходе электрона с удаленной орбиты на более близкую, атом излучает энергию в виде светового кванта.
Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными иными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями.
Для того, чтобы сделать следующий шаг в познании атома, требовалось в корне изменить представление о движении микрочастиц.
В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. Он утверждал, что волновые свойства присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.
Согласно де Бройлю, любому телу с массой m, движущемуся со скоростью v, соответствует волна l = h/mv. Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света — фотонам.
В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, описывающее движение микрочастиц, так называемое волновое уравнение.
Смелая мысль Луи де Бройля о корпускулярно-волновом “дуализме” позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве.
Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером.
Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, согласно которому положение электрона в пространстве неопределенно. Невозможно с одинаковой точностью установить место и скорость микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно.
С позиции квантовой механики представления Бора об атоме с его определенными орбитами электронов должны быть заменены описанием, при котором оценивается лишь вероятность нахождения электрона в том или ином месте пространства атома. Современным понятиям о движении электрона в атоме отвечает понятие об электронном облаке неравномерной плотности. Электрон как бы размазан в пространстве. Максимальная электронная плотность отвечает наибольшей вероятности нахождения электрона в данном объеме. Формы электронных облаков различны.
Состояние электронов в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным, орбитальным, магнитным и спиновым.
Главное квантовое число n определяет общий запас энергии электрона и принимает значения 1, 2, 3, 4, . . ., ¥. Оно определяет номер слоя.
Орбитальное квантовое число l - связано с формой электронного облака на данном подуровне, и может принимать все целочисленные значения от 0 до n—1.
Элементы, атомы которых в нормальном состоянии содержат валентные s-электроны, называют s-элементами, p-электроны — p-элементами, d- и f-электроны d- и f-элементами.
Магнитное квантовое число m определяет дискретные возможные ориентации электронных облаков в пространстве относительно направления внешнего магнитного поля. Магнитное квантовое число m связано с орбитальным квантовым числом l: оно принимает все целочисленные значения от —l до +l. Например для p-подуровня (l=1) возможны три значения m= -1, 0, +1. Число m определяет число орбиталей (ячеек) на данном подуровне.
Голландские физики Г. Е. Уленбек и С. А. Гоудсмит пришли к выводу (1925), что электрон обладает особыми свойствами, которые связаны с наличием у него спина (S —spin). Открытие спина как неотъемлемого физического свойства электрона оказало огромное влияние на последующее развитие физики атома, углубило понимание магнетизма вещества, позволило объяснить тонкую структуру спектра, эффект Зеемана и другие явления.
Спиновое квантовое число ms характеризует собственное внутреннее движение электрона. ms = ±1/2, в зависимости от одного из двух возможных направлений спина электрона по отношению к орбитальному магнитному моменту в магнитном поле спиновое число имеет знак + или —. При “параллельной” установке спина S=-+l/2 (его обозначают на схемах ), при “антипараллельной” S= -1/2 (обозначают ¯).
Периодическая система Д. И. Менделеева представляет собой классификацию элементов по структуре электронных оболочек атомов. Распределение электронов в атомах элементов происходит в соответствии с принципом наименьшей энергии, принципом Паули и правилом Хунда.
Принцип Паули утверждает, что в атоме не может быть электронов с одинаковыми наборами всех четырех квантовых чисел — n, l, ml и ms.
Для обозначения распределения электронов в атоме (электронная формула) принимается следующая система записи: впереди цифрой указывается электронный слой, затем буквой — подуровень и вверху, справа от буквы, цифрой — число электронов в слое. Например, возьмем атом хлора (С1), порядковый номер 17, элемент 3-го периода, VII главной подгруппы. В атоме в соответствии с номером периода три электронных слоя, на которых по ячейкам (орбиталям) размещается 17 электронов. С учетом “запрета” Паули формулу распределения электронов в атоме хлора можно выразить так: 1s22s22p63s23p53d0. Это p-элемент, валентные электроны заполняют ячейки 3s2 и Зp5 (рис 6).
Последовательность заполнения орбиталей атомов, начиная с более низких по энергии, характеризуется тем, что электроны первоначально по одному занимают разные орбитали и имеют параллельные спины. Выполняется правило Хунда: электроны занимают возможные вырожденные орбитали в атоме поодиночке с одинаковой ориентацией спинов, при этом суммарный спин максимален.
Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX в. — фотон, протон, позитрон и нейтрон.
После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц — свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.
Термин “элементарная частица” первоначально означал простейшие, далее ни на что неразложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.
Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.
Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны — средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы — тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.
Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963—1964 гг. была высказана гипотеза о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла.
По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10-10 — 10-24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни
10-23 — 10-22с называют резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.
Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием “спина”, или собственного момента количества движения микрочастицы, и понятием “квантовых чисел”, выражающих состояние элементарных частиц.
В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление — взаимодействия. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства элементных частиц определяются в основном первыми тремя видами взаимодействия.
Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей.
Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы — в молекулы.
Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10-l5 — 10-22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре.