Фотоны Эйнштейна и атом Бора

Одним из этих революционеров был Альберт Эйнштейн. В то время когда он опубликовал свою первую исследовательскую статью по квантовой теории, он работал клерком в патентном бюро в Цюрихе (1900). Подвергнув сомнению популярное в то время представление о волновой природе света, Эйнштейн выдвинул гипотезу, что свет существует в идее кванта — дискретного пучка энергии, — который мы теперь называем фотоном. Чем выше частота света, тем большую энергию имеет каждый пучок.

Еще большим революционером был датский физик Нильс Бор, который в 1913 г. использовал идею кванта света для формулировки гипотезы, согласно которой весь мир атома полон квантовых скачков. Нас всех учили, что атом похож на миниатюрную солнечную систему, что электроны вращаются вокруг ядра во многом подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Возможно, вам будет интересно узнать, что эта модель, предложенная английским физиком Эрнстом Резерфордом, имела решающий недостаток, который устраняла работа Бора.

Представьте себе рой движущихся по орбитам спутников, которые довольно регулярно запускают с Земли с помощью космических ракет. Эти спутники существуют не вечно. Вследствие столкновения с земной атмосферой, они теряют энергию и замедляют свое движение. Их орбиты сужаются, и, в конечном счете, они падают на Землю (рис. 2).

Рис. 2. Орбиты спутников, вращающихся вокруг Земли, неустойчивы. Так же ведут себя и орбиты электронов в модели атома Резерфорда

Согласно классической физике, электроны, окружающие атомное ядро, тоже должны были бы терять энергию вследствие непрерывного излучения света и в конце концов падать на ядро. Поэтому планетарная модель атома неустойчива. Однако Бор (который, предположительно, увидел планетарную систему атома во сне) создал устойчивую модель атома, применив идею квантового скачка.

Предположим, говорил Бор, что орбиты электронов дискретны, подобно квантам энергии Планка. Тогда орбиты можно представлять себе как образующие энергетическую лестницу (рис. 3). Они стационарны — величина их энергии остается неизменной. Находясь на этих квантованных орбитах, электроны не излучают света. Электрон испускает квант света, только когда перескакивает с орбиты с более высокой энергией на орбиту с более низкой (со ступени лестницы с более высокой энергией на более низкую ступень). Таким образом, если электрон находится на орбите с самой низкой энергией, у него нет более низкого уровня, куда бы он мог перескакивать. Эта конфигурация базового уровня устойчива, и у электрона нет никаких шансов упасть на ядро. Все физики встретили модель атома Бора вздохом облегчения.

Рис. 3. Орбита Бора и квантовый скачок: а — квантованные орбиты Бора. Атомы испускают свет, когда электроны перескакивают с орбиты на орбиту; б — для квантовых скачков по энергетической лестнице нет нужды проходить через промежуточное пространство между ступенями

Бор отсек голову Гидре неустойчивости, но на ее месте вырастала другая. Согласно Бору, электрон никогда не может занимать никакое положение между орбитами; таким образом, совершая скачок, он должен каким-то образом непосредственно переходить на другую орбиту. Это не орбитальный прыжок через пространство, а что-то радикально новое. Хотя, возможно, было бы соблазнительно изображать скачок электрона как прыжок с одной ступеньки лестницы на другую, однако электрон совершает скачок, не пересекая пространство между ступеньками. Вместо этого он как будто исчезает на одной ступеньке, снова появляясь на другой — без какого бы то ни было непрерывного перехода. Больше того, нельзя сказать, куда он собирается перескакивать, если существует больше одной более низкой ступени, между которыми он может выбирать. Можно давать лишь вероятностные предсказания.