Успехи и недостатки теории Бора

УСПЕХИ  И  НЕДОСТАТКИ

ТЕОРИИ  БОРА  
 

 Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря  работам  Нильса  Бора, в которых учение о строении атома неразрывно  связывается с учением о происхождении спектров.

      Бор (Bohr) Нильс Хенрик Давид (1885-1962)

Линейчатые  спектры получаются при разложении света испускаемого раскаленными парами или газами. Каждому  элементу отвечает свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает очень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе  до  5000),          но встречаются и сравнительно простые  спектры.

        Развивая ядерную теорию Резерфорда,  ученые пришли  к мысли,  что сложная структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов.  По теории  Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила  притяжения  ядра уравновешивается центробежной силой,  возникающей при вращении электрона. Вращение электрона  совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание  электромагнитных волн.  Поэтому можно предположить,  что вращающийся электрон излучает свет определенной  длины волны,  зависящий от   частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, в следствие чего нарушается   равновесие   между   ним  и  ядром;  для восстановления равновесия электрон должен  постепенно передвигаться ближе к ядру,  причем так же постепенно будет  изменяться  частота  обращения электрона и характер  испускаемого  им  света.  В  конце концов, исчерпав всю энергию,  электрон  должен  "упасть"  на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение  движения электрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный,  а не с лучами определенной длины волны. Кроме  того,  "падение" электрона на ядро означало бы разрушение атома  и  прекращения  его существования. Таким образом, теория  Резерфорда  была  бессильна объяснить не только  закономерности  в  распределении

Планк (Planck) Макс

        (1858-1947)

линий  спектра, ни  и  само существование  линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил  сою теорию строения атома, в которой  ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления  с  ядерной  моделью атома,  применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком.  Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно,  как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями - квантами энергии. Запас энергии  излучающего тела изменяется скачками,  квант за квантом; дробное  число квантов тело не может ни испускать,  ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты  излучения: чем больше частота излучения,  тем больше величина кванта. Кванты лучистой энергии называются также фотонами.  Применив квантовые представления к вращению электронов  вокруг ядра,  Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения,  или постулаты.  Хотя эти постулаты  и противоречат законам классической электродинамики, но они  находят  свое  оправдание  в  тех поразительных результатах,  к  которым приводят,  и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими  результатами   и  огромным  числом  экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в   следующем: Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким,  которые удовлетворяют  определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда  электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной  орбиты  на  более  близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается  переход   электрона. Чем больше  расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атом водорода; вокруг ядра которого вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и  нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1 : 2 : 3 : ... n Величина n получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей  к  ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих  переходы  электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного спектра .Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых  орбит, а  вместе  с  тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связанно с некоторым трудностями из-за ее новизны.

  Теория Бора  позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в  атомах  различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных  оболочек их атомов. В настоящее время  разработаны схемы  строения атомов всех химических элементов. Однако, иметь ввиду, что все эти схемы это лишь более или менее достоверная гипотеза,  позволяющая объяснить многие физические и химические свойства  элементов. Как известно, число электронов,  вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому  номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющие или как бы насыщающее его число электронов.  Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом   уровне, чем электроны предыдущего слоя.  Наибольшее число   электронов N, могущих находиться  на  данном энергетическом уровне,  равно удвоенному квадрату номера слоя:

                                      N=2n*n 

     где n-номер слоя. Кроме того, установлено,  что число электронов в наружном  слое для всех элементов, кроме  палладия,  не превышает восьми, а в предпоследнем - восемнадцати. Электроны наружного    слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим  атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких  электронов,  становятся  заряженные положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов.  Наоборот атомы присоединившие электроны становятся заряженные отрицательно.  Образующиеся  таким  путем  заряженные частицы, качественно  отличные  от  соответствующих атомов. называются ионами. Многие ионы в свою очередь могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы, или в новые ионы с другим зарядом. Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма лучеиспускания, а с другой - к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.

   Движение  электронов в атомах Бор представлял  как простое механическое, однако оно является сложным и своеобразным. Это своеобразие было объяснено  новой квантовой теорией. Отсюда и пошло: «Карпускулярно-вролновой дуализм».

      Идея  соответствия играла главную роль в  формировании и развитии концепции  дополнительности Бора, ставшей ядром  копенгагенской интерпретации квантовой  теории. Согласно этой концепции, для  полноты описания явления в микромире необходимо использовать классические понятия, которые, хотя и являются взаимоисключающими, но взаимно дополняют друг друга и дают исчерпывающую информацию о явлении.

Рассказывают, что когда Н.Бор был в Японии, на о.Хонсю, то, любуясь Фудзиямой, он назвал ее «воплощением самой идеи дополнительности». Бор говорил, что только совокупность различных восприятий под разными углами и с различных позиций может передать полную очарования картину воздушных и стройных линий горы, как это пытался сделать и сделал Хокусай в своих знаменитых «Ста картинах Фудзиямы». Именно в этом и состоит идея дополнительности: не отдавать предпочтение какому-либо отдельному наблюдению, аспекту, стороне, свойству, а считать, что все различные наблюдения, аспекты, взгляды необходимы как взаимодополняющие друг друга элементы, дающие максимально полное в данной познавательной ситуации описание объекта исследования. Концепция дополнительности, появившаяся как необходимое условие для объяснения и понимания квантовой проблемы, прекрасная в принципе, превратилась в своеобразный стиль мышления, который по существу своему глубоко диалектичен.

Рассмотривая  связь между дополнительностью  и соответствием и между дополнительностью  и относительностью, необходимо кратко остановиться на возможности толкования принципа дополнительности как универсального принципа и на некоторых возражениях против такого толкования. Столь пристальное  внимание к принципу дополнительности не случайно. В дальнейшем станет ясно, что связь между дополнительностью, соответствием и относительностью существенна, поскольку лежит в фундаменте общей системы методологических принципов.

Начнем  со связи между дополнительностью и соответствием. Еще в самом начале создания теории атома водорода Бор применял неквантовые понятия к квантовой физике настолько, насколько это было возможно, невзирая на распространенное мнение о том, что классические понятия неадекватны в квантовой области. Бор понимал, что переход к атомным системам нельзя осуществить в полной мере с помощью классического аппарата, но отмечал, что «динамическое равновесие системы в стационарных состояниях можно рассматривать с помощью обычной механики», правда «переход системы из одного стационарного состояния в другое нельзя трактовать на этой основе»¹. Известно было также, что законы, относящиеся к области длинноволнового излучения, соответствуют законам классической электродинамики. Такая аналогия, точнее соответствие, выглядела вначале сугубо формальной, но в дальнейшем стала очевидной ее исключительная плодотворность. Опираясь на аналогию, Бор строил мост к будущей концепции дополнительности. Он с полным основанием утверждал, что, несмотря на фундаментальные различия между классической теорией излучения и квантовой идеей, можно получать результаты, основанные на квантовых представлениях, но дополняющие выводы, основанные на классической теории, и в то же время дополняемые ими.

Так по пути аналогии Бор закономерно пришел к принципу соответствия, а от него к принципу дополнительности. Это  не случайно, потому что такой путь есть путь симметрии. Аналогия как единство противоположностей (изменения и сохранения) является специфической формой симметрии. И если принцип соответствия требует рассматривать квантовую теорию как рациональное обобщение классической теории излучения, то по аналогии Бор утверждает, что принцип дополнительности является рациональным обобщением самого классического идеала причинности. «Дополнительный способ описания,— подчеркивает Бор,— в действительности не означает произвольного отказа от привычных требований, предъявляемых ко всякому объяснению; напротив, он имеет целью подходящее диалектическое выражение действительных условий анализа и синтеза в атомной физике»².

Как можно  видеть, Бор хотя и противопоставляет  понятия дополнительности и причинности, но не разводит их настолько, чтобы между ними оставалась непроходимая пропасть: дополнительность он рассматривает как момент в движении физики к идеалу причинности. Ученый утверждает, что понятие дополнительности есть рациональное развитие «наших способов классифицировать и понимать новые опытные факты, которые по своему характеру не находят себе места в рамках причинного описания; последнее годится для объяснения поведения объектов, только пока это поведение не зависит от способов наблюдения. Точка зрения дополнительности далека от какого-либо мистицизма, противоречащего духу науки; в действительности она представляет собой последовательное обобщение идеала причинности»³. Тем самым единый классический идеал причинности в квантовой физике раздваивается, т.е. «пространственно-временную координацию и динамические законы сохранения можно рассматривать как два дополнительных аспекта обычной причинности, которые в этой области до некоторой степени исключают друг друга, хотя ни один из них не теряет своей внутренней законности»⁴. В этих размышлениях Бора видна связь, аналогия, преемственность между принципами соответствия и дополнительности: два дополнительных аспекта не исчезают, а сохраняются в новом квантовом описании, поскольку этого требует идея соответствия.

Итак, принцип соответствия приводит Бора к концепции дополнительности. С течением времени Бор все более убеждается, что классические понятия никогда не будут отстранены от квантовой теории. Он считает, что «любое описание природы должно быть основано на использовании представлений, введенных и определенных классической теорией. В связи с этим встает вопрос о возможности представления принципов квантовой теории в такой форме, чтобы это использование классических представлений оказалось свободным от противоречий»⁵.

Необходимость применения классических понятий в  квантовой физике следует из того факта, что мы не можем сообщать друг другу результаты экспериментов  никак иначе, кроме как посредством  нашего обыкновенного классического  языка, классических понятий, выработанных в результате нашего повседневного классического опыта. Бор пишет, что «цель всякого физического опыта есть получение данных при воспроизводимых и поддающихся словесной передаче условиях. Эта цель не оставляет нам никакого другого выбора, как пользоваться повседневными понятиями, может быть улучшенными терминологией классической физики, не только при описании устройства и работы измерительных приборов, но также и при описании получаемых экспериментальных результатов»⁶.

И в  дальнейшем Бор последовательно проводит эту мысль: «...Как бы далеко ни выходили квантовые эффекты за пределы возможностей анализа классической физики, — пишет ученый в статье «О понятиях причинности и дополнительности», — описание экспериментальной установки и регистрация результатов наблюдения всегда должны производиться на обычном языке, дополненном терминологией классической физики. Это есть простое логическое требование, поскольку слово «эксперимент» в сущности может применяться лишь для обозначения такой ситуации, когда мы можем рассказать другим, что мы сделали и что узнали в итоге»⁷. В статье «Максвелл и современная теоретическая физика» Бор также подчеркивает, что всякое физическое описание необходимо осуществлять на языке классической физики: «...Мы должны осознать, что недвусмысленное истолкование любого измерения должно быть по существу выражено в терминах классических теорий, и мы можем сказать, что в этом смысле язык Ньютона и Максвелла останется языком физиков на все времена»⁸. В дискуссии с А.Эйнштейном он снова утверждает, что «как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий»⁹.

Из-за исключительной важности этой идеи А.3.Петров предложил  назвать ее принципом Бора, который можно сформулировать следующим образом: теория должна быть такой, чтобы она соответствовала терминологии, понятиям и информации, получаемой в ходе экспериментов¹⁰. Этот принцип вместе с принципами соответствия и дополнительности выражает сущность «квантовой гносеологии». В совокупности они обеспечивают условия создания истинной физической теории — сохранение классических понятий и возможность сравнивать теоретические выводы с экспериментальными данными. Но, следовательно, данный принцип, по существу, представляет собой принцип сохранения, утверждающий, что при переходе от классической теории к квантовой классический язык сохраняется.