Бор атом моделін қалай құрды

Заттың ең терең деңгейдегі құрылысын түсіну әрқашан жаратылыстану ғылымдарының басты міндеттерінің бірі болып келген. ХХ ғасырдың басында физика атомның құрылымын ашуға өте жақын келді, бірақ бұл жолда бір теорияны екіншісімен алмастырып отырған күрделі қайшылықтарға тап болды. Макроскопиялық әлемді тамаша сипаттаған классикалық механика мен электродинамика атом ішіндегі электрондардың қозғалысын түсіндіруге келгенде абсурд нәтижелерге әкелетін. Даниялық физик Нильс Бор 1913 жылы Коперник пен Ньютонның жаңалықтарымен тең дәрежеде батыл интеллектуалдық қадам жасады — ол физикаға кванттық постулаттарды енгізіп, классикалық теориямен үйлеспейтін жаңа қағидаларды ұсынды және бұрын түсіндіру мүмкін емес болып көрінген құбылыстарды түсіндіре алды. Оның сутек атомының моделі Планк пен Эйнштейннің кванттық идеяларын Резерфордтың планеталық атом моделіне біріктірген алғашқы табысты теория болды. Бордың осы жаңалыққа қалай келгенін түсіну — шын мәніндегі революциялық физикалық теорияның қалай пайда болатынын көруге мүмкіндік береді.

Классикалық физиканың дағдарысы және атом мәселесі

1910-жылдарға қарай физикадағы жағдай түрлі дәлелдер бір-біріне сәйкес келмейтін детективтік оқиғаға ұқсай бастады. Атомның бар екені тәжірибелік түрде дәлелденген еді, ал оның ядролық құрылымы Резерфордтың жаңа ашқан жаңалығы болатын. Бірақ бұл құрылымның тұрақтылығын классикалық физика заңдары арқылы түсіндіру мүмкін болмай шықты.

1911 жылы Эрнест Резерфорд жүргізген алтын фольгада альфа-бөлшектердің шашырауын зерттеу тәжірибесі атомның өте кішкентай оң зарядталған ядродан тұратынын және электрондардың осы ядроны одан әлдеқайда үлкен қашықтықта айналып жүретінін көрсетті. Мұндай планеталық модель өте сенімді көрінді, алайда ол бірден классикалық электродинамикамен үйлеспейтін қайшылықтарды туғызды.

Планеталық модель мен классикалық теория арасындағы қайшылықтар бірнеше өзара байланысты мәселелерге алып келді:

• классикалық электродинамика заңдары бойынша қисық траекториямен қозғалған кез келген зарядталған бөлшек үздіксіз электромагниттік сәуле шығарып, энергиясын жоғалтуы тиіс;
• энергиясын жоғалтқан электрон спираль бойымен ядроға жақындап, өте қысқа уақыт ішінде — шамамен секундтың жүз миллионнан бір бөлігінде — ядроға құлап түсуі керек еді;
• шын мәнінде атомдар толық тұрақтылық көрсетеді — сутек атомы миллиардтаған жыл бойы ешқандай күйреу белгілерінсіз өмір сүріп келеді;
• атом спектрлері тұтас жолақ емес, нақты толқын ұзындықтарына сәйкес келетін айқын дискрет сызықтардан тұрады, ал бұл құбылысты классикалық теория түсіндіре алмады;
• 1885 жылы ашылған Бальмер формуласы сутек спектрінің көрінетін сызықтарының жиілігін өте дәл сипаттағанымен, оның ешқандай теориялық түсіндірмесі болмады.

Дәл осы тәжірибелік фактілер мен теориялық тұйықтардың үйлесуі Бор іздеген интеллектуалдық кеңістікті қалыптастырды. Ол бұл мәселені классикалық физика арқылы шешу мүмкін емес екенін жақсы түсінді.

Бордың постулаттарға келу жолы

Нильс Бор 1912 жылы Манчестердегі Резерфорд зертханасына жас дат физигі ретінде келді. Оның қолында докторлық дәрежесі және сол кездегі физиканың негізгі қайшылықтарын жақсы түсінетін өткір теориялық ойлау қабілеті болды. Дәл осы жерде, тәжірибелік нәтижелермен және Резерфордтың өзімен тікелей байланыста отырып, ол атом физикасын түбегейлі өзгертетін идеяларды қалыптастыра бастады.

Борға шабыт берген тек ядролық тәжірибелер ғана емес, сол кезеңде еуропалық физикада пайда бола бастаған кванттық идеялар да болды:

• Макс Планк 1900 жылы абсолют қара дененің сәулеленуін түсіндіру кезінде энергия үздіксіз емес, белгілі бір порциялармен — кванттармен — шығатынын көрсетті;
• Альберт Эйнштейн 1905 жылы осы кванттық идеяны жарықтың өзіне қолданды және фотоэффект құбылысын түсіндіру үшін фотон ұғымын енгізді;
• Иоганн Бальмер, Йоханнес Ридберг және басқа спектроскопистер атом спектрлерінің дискреттілігі туралы бай тәжірибелік материал жинаған еді;
• Резерфорд атомның ядролық құрылымының нақты тәжірибелік моделін ұсынды.

Бор мәселенің шешімі дискреттілік идеясында жатыр деген ойға келді. Егер энергия кванттар түрінде шығарылса, онда атомдағы электрон күйі де үздіксіз емес, белгілі бір дискретті мәндерге ғана ие болуы керек. Бұл идея классикалық механикамен үйлеспеді, бірақ Бор бірнеше ай бойы жүргізген қарқынды жұмыстың нәтижесінде оны нақты математикалық постулаттар түрінде қалыптастыра алды.

Бордың үш постулаты және олардың физикалық мағынасы

1913 жылы Бор «Philosophical Magazine» журналында үш мақаладан тұратын серия жариялады. Кейін бұл еңбектер физика тарихында «Бор трилогиясы» деп аталды. Бұл мақалалардың негізінде постулаттар жатыр — яғни, тәжірибемен сәйкес келгендіктен қабылданатын, бірақ басқа теориялардан туындамайтын қағидалар. Бұл физикалық теорияны құрудың жаңа тәсілі болды.

Бордың постулаттары классикалық физикадан саналы түрде бас тартуды білдірді.

1. Бірінші постулат — стационар күйлер постулаты — атомдағы электрон тек белгілі бір орбиталарда ғана қозғала алады және бұл кезде энергия шығармайды. Бұл классикалық электродинамикаға тікелей қайшы келеді, өйткені классикалық теория кез келген қозғалатын заряд сәуле шығаруы тиіс дейді. Бор атом ішінде классикалық физика қолданылмайды деп мәлімдеді. Бұл батыл қадам атом тұрақтылығы мәселесін бірден шешті.
2. Екінші постулат — орбиталардың квантталу ережесі — рұқсат етілген орбиталарға қойылатын шартты анықтайды. Электронның импульс моменті Планк тұрақтысының екі «пи»-ге бөлінген мәніне еселік болуы тиіс. Бұл шарт шексіз көп классикалық орбиталардың ішінен тек белгілі бір дискретті орбиталарды — бірінші, екінші, үшінші және одан әрі — ғана қалдырады.
3. Үшінші постулат — жиіліктер ережесі — атомның жарық шығару немесе жұту механизмін сипаттайды. Электрон бір стационар орбитадан екінші орбитаға өткен кезде атом фотон шығарады немесе жұтады. Фотон энергиясы екі күйдің энергия айырмасына тең. Шығарылған сәуленің жиілігі Эйнштейн формуласы арқылы анықталады: энергия Планк тұрақтысының жиілікке көбейтіндісіне тең.

Осы үш постулаттың жиынтығы сутек атомының қасиеттерін жоғары дәлдікпен есептеуге мүмкіндік беретін тұтас теориялық жүйені қалыптастырды.

Сутек атомына қолдану және теорияның жеңісі

Жаңа теорияның алғашқы сынағы оны ең қарапайым атомға — бір электроны бар сутек атомына — қолдану болды. Нәтижелер күткеннен де жоғары болып шықты және физиктер қауымына үлкен әсер етті.

Бор электрон орбиталарының радиустарын және сәйкес энергия деңгейлерін есептеді. Бұл есептеулер тек электронның заряды мен массасына, ядро зарядына және Планк тұрақтысына негізделді. Осы нәтижелерден сутек спектріндегі барлық сызықтардың жиіліктері тікелей шықты және олар тәжірибеде өлшенген мәндермен өте дәл сәйкес келді.

Жаңа модельдің болжамдық мүмкіндіктері бірнеше маңызды нәтижелер арқылы көрінді:

• Бальмер формуласы алғаш рет теориялық тұрғыдан түсіндірілді;
• ультракүлгін аймақтағы Лайман сериясы және инфрақызыл аймақтағы Пашен сериясы теория бойынша болжанып, кейін тәжірибеде расталды;
• Ридберг тұрақтысының мәні фундаментал тұрақтылар арқылы есептеліп, өлшенген мәнмен дәл келді;
• сутек атомындағы электронның бірінші орбитасының радиусы шамамен 0,053 нанометрге тең болып шықты, кейін бұл «Бор радиусы» деп аталды;
• сутектің иондалу энергиясы теориялық түрде есептеліп, тәжірибелік нәтижелермен толық сәйкес келді.

Теориялық болжамдардың тәжірибелік деректермен дәл келуі Бор дұрыс бағытты тапқанын көрсетті.

Ғылыми қауымдастықтың реакциясы және модельдің шектеулері

Бор теориясына физиктердің реакциясы әртүрлі болды. Бір жағынан, болжамдардың дәлдігі үлкен таңданыс туғызды, ал екінші жағынан, теорияның әдістемесіне қатысты күмәндар да болды. Эйнштейн Бордың жұмысын «ойлау саласындағы жоғары музыкалық үйлесім» деп атады, бірақ оның қалай шын болуы мүмкін екенін түсінбейтінін айтты. Макс Планк бұл модельді үлкен қызығушылықпен қабылдады, ал Резерфорд сақтықпен қолдады.

Ғалымдар теорияның шектеулерін де бірден байқады.

1. Теория сутек атомын өте жақсы сипаттады, бірақ екі электроны бар гелий атомы үшін нәтижелер тәжірибеден айтарлықтай ауытқиды. Бірнеше электронның өзара әсері Бор моделіне толық сәйкес келмеді.
2. Модель спектр сызықтарының интенсивтілігін түсіндіре алмады. Ол қандай сызықтардың пайда болатынын көрсетті, бірақ олардың жарықтығын болжай алмады.
3. Спектр сызықтарының нәзік құрылымы — әр сызықтың бірнеше жақын компоненттерге бөлінуі — Арнольд Зоммерфельд енгізген қосымша квант сандары арқылы ғана түсіндірілді.
4. Электронның стационар орбитада сәуле шығармау себебі теорияда түсіндірілмеді. Бұл сұраққа жауап тек 1925–1926 жылдары кванттық механика пайда болған кезде табылды.

Бор моделінің ХХ ғасыр физикасындағы мұрасы

Бор моделі шамамен он екі жыл бойы — кванттық механика пайда болғанға дейін — негізгі жұмысшы теория ретінде қолданылды. Бірақ оның ғылыми мұрасы әлдеқайда ұзақ өмір сүрді. Бұл модель тек сутек спектрін түсіндіріп қана қойған жоқ, сонымен бірге физикалық ойлау логикасын өзгертті.

Бор идеялары ғылымның кейінгі дамуына үлкен әсер етті:

• стационар күй ұғымы кванттық механикадағы кванттық күй түсінігінің негізіне айналды;
• Бор тұжырымдаған сәйкестік принципі кванттық теорияларды құрудағы маңызды әдістемелік қағида болды;
• энергия деңгейлері мен кванттық өтулер ұғымы қазіргі спектроскопияда, лазерлік физикада және химияда негізгі рөл атқарады;
• Бор радиусы атомдық және молекулалық физикада стандартты ұзындық бірлігі ретінде әлі күнге дейін қолданылады;
• кванттық идеялардың нақты атомдық құбылыстарды түсіндіре алатынын көрсету кейінгі кванттық теорияның дамуына жол ашты.

Нильс Бор 1922 жылы атомдардың құрылымы мен олардың шығаратын сәулесін зерттегені үшін физика бойынша Нобель сыйлығын алды.

Бор моделі физика тарихындағы ең маңызды мысалдардың бірі болып қала береді. Ол тәжірибемен сәйкес келетін батыл идеялар ғылымда жаңа бағыттардың пайда болуына қалай әкелетінін көрсетеді. Бүгінгі күні Бордың атом моделі мектепте кванттық механикамен алмастырылған қарапайым түсіндірме ретінде оқытылады. Алайда дәл осы қарапайым модель бір кездері атом физикасын тығырықтан шығарған еді. Бор постулаттарынан Шрёдингер теңдеуіне дейінгі жол бар болғаны он екі жылға созылды — бұл ғылым тарихындағы ең жылдам революциялардың бірі.