Как появилась квантовая механика - часть 1

Любой электрон, который делает что-либо кроме движения по прямой с постоянной скоростью, создает вибрацию электромагнитного поля вокруг себя - мы называем ее электромагнитными излучением или электромагнитной волной. Некоторые волны мы даже можем видеть и называем их светом. Определенным диапазонам длин волн света соответствуют разные цвета. Когда мы нагреваем любое вещество, электроны начинают двигаться быстрее и вещество становится источником излучения, т.е. передает энергию в форме волн.

Когда физики научились экспериментально измерять энергию, передаваемую волнами разной длины, они обнаружили парадокс классической физики, названный ультрафиолетовой катастрофой. Согласно формулам классической физики, полная мощность теплового излучения любого нагретого тела должна быть бесконечной.

В 1900 году Макс Планк смог разрешить этот парадокс, когда придумал более точную формулу, которая давала расчет мощности теплового излучение нагретого тела в зависимости от частоты колебания. Чем быстрее колеблется электромагнитное поле, тебя больше энергии оно выделяет. Энергия равна частоте, умноженной на константу планка. У формулы был интересный побочный эффект, за который Макс Планк получил нобелевскую премию. Согласно формуле, энергия может принимать только дискретные значения. Планк не мог это объяснить.

Объяснение придумал Эйнштейн в 1905, за что в 1921 году тоже получил нобелевскую премию. Эйнштейн доказал, что свет состоит из отдельных частиц энергии фотонов. Фотон - это минимальная частица (квант) электромагнитного излучения (в узком смысле света).

Получается, Планк доказал, что свет фиксированной частоты выделяет энергию дискретными частями, а Эйнштейн, чтоы свет - это и есть частицы энергии.

Дальше началось самое странное.

Известно, что электрон двигается по кругу или эллипсу, значит у него есть ускорение (т.к. ускорение это вектор). Т.е. электрон выделяет электромагнитное излучение и должен терять энергию. Теряя энергию, электрон будет приближаться к ядру пока с ним не столкнется. Так как электрон вращается вокруг ядра с огромной скоростью, то он должен врезаться в ядро за одну 100-миллиардную долю секунды. Но этого не происходит.

В 1913 году Нильс Бор предложил на тот момент абсолютно сумасшедшую теорию - электрон не может двигаться по спирали к центру атома, потому что электрон не может быть, где захочет, а должен находится только на определенных орбитах. Каждая орбита соответствует определенной частоте излучения, и согласно формуле Планка определенной энергии. Чем ближе электрон к ядру, тем выше частота и тем больше энергии излучается.

Он доказал это с помощью экспериментов с газом. Бор пропускал свет через холодный газ и заметили, что свет начинает тускнеть, т.е. электроны двигаются по орбитам, отдаляясь от центра ядра (от более высоких частот к более низким). Но свет тускнеет не постепенно, как было бы логично, а определенным скачками. Т.е. электроны сразу перепрыгивают с орбиты на орбиту, минуя расстояния между орбитами. У каждого электрона есть момент импульса (масса х скорость х расстояние до ядра). Бор доказал, что существуют только те орбиты, у которых момент импульса кратен константе Планка.