Проблемы классической теории при описании атомов и молекул

Теория Бора, Зоммерфельда и их последователей далеко продвинула вперед наши знания об атоме, в частности о закономерностях спектральных линий. С другой стороны, чисто формальные правила квантования, составляющие основу этой теории совершенно не понятны с физической точки зрения. Некоторые проблемы теории Бора до сих пор остаются без объяснения. Так, например, неизвестна пространственная структура электростатических полей между ядром и электроном. Из его теории не следует полная экранировка поля протона, так как он решал классическую задачу Кеплера, хотя отсутствие поля протона для атома водорода наблюдается экспериментально. Она не дает ответ, что является источником электромагнитных волн, каким образом атом, имеющий размеры порядка нескольких ангстремов излучает и поглощает электромагнитные волны с длиной волны, на 3-8 порядков превосходящих сам размер атома. Хотя из классической электродинамики следует, что эффективность такого излучателя – антенны, близка к нулю. Кроме того, эта теория имеет дело с величинами, полностью ускользающими от наблюдения. Так, теория говорит об орбите электрона и скорости его движения вокруг ядра, вовсе не принимая во внимание то, что мы вообще не можем определить положение электрона в атоме, не разрушив при этом весь атом.

Учитывая вышеприведенные противоречия, против модели Бора и Зоммерфельда резко выступали П. Эренфест, О. Штерн и другие. Сам родоначальник квантовой механики Макс Планк считал основной проблемой модели Бора несовпадение частоты вращения электрона вокруг ядра частоте испускания и поглощения света.

При построении логически непротиворечивой схемы атомной механики в теорию нельзя вводить никаких величин, кроме физически наблюдаемых – нельзя, скажем, ввести орбиту электрона, но следует отправляться лишь от наблюдаемых частот и интенсивностей линий, излучаемых атомами. Исходя из этого принципа, Гейзенберг заложил основы теории, развитой в дальнейшем им самим, Борном и Йорданом (1925 г.) – так называемой матричной механики, призванной заменить атомную механику Бора. Гейзенберг расположил наблюдаемые излучаемые частоты в виде матриц и начал работать с ними по известным правилам теории матриц. Он построил матрицы координат, матрицы импульсов и т.д. Затем начал действовать с ними практически точно так же, как мы привыкли действовать с координатами и импульсами в классической механике, учитывая перестановочные соотношения Борна и Йордана. К сожалению, матричная механика не смогла раскрыть физическую структуру ни электрона, ни самого атома.