Атомна фізика
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Атомна фізика

Атомна фізика, розділ фізики, в якому вивчають будову і стан атомів. А. ф. виникла в кінці 19 — початку 20 вв.(століття) У 10-х рр. 20 ст було встановлено, що атом складається з ядра і електронів, зв'язаних електричними силами. На першому етапі свого розвитку А. ф. охоплювала також питання, пов'язані з будовою атомного ядра. У 30-х рр. з'ясувалося, що природа взаємодій, що мають місце в атомному ядрі, інша, чим в зовнішній оболонці атома, і в 40-х рр. ядерна фізика виділилася в самостійну галузь науки. У 50-х рр. від неї відбрунькувалася фізика елементарних часток, або фізика високих енергій.

загрузка...

  Передісторія атомної фізики: вчення про атоми в 17—19 вв.(століття) Думка про існування атомів як неділимих часток матерії виникла ще в старовині; ідеї атомізму вперше були висловлені старогрецькими мислителями Демокрітом і Епікуром. У 17 ст вони були відроджені французьким філософом П. Гассенді і англійським хіміком Р. Бойлем.

  Уявлення про атоми, що панували в 17—18 вв.(століття), були маловизначеними. Атоми вважалися абсолютно неділимими і незмінними твердими частками, різні види яких відрізняються один від одного за розміром і формою. Поєднання атомів в тому або іншому порядку утворюють різні тіла, рухи атомів обумовлюють всі явища, що відбуваються в речовині. І. Ньютон, М. В. Ломоносов і деякі інші учені вважали, що атоми можуть зчіплюватися в складніші частки — «корпускули». Проте атомам не приписували певних хімічних і фізичних властивостей. Атомістика ще носила абстрактний, натурфілософський характер.

  В кінці 18 — початку 19 вв.(століття) в результаті швидкого розвитку хімії була створена основа для кількісної розробки атомного учення. Англійський учений Дж. Дальтон вперше (1803) став розглядати атом як найдрібнішу частку хімічного елементу, що відрізняється від атомів інших елементів своєю масою. По Дальтону, основною характеристикою атома є атомна маса. Хімічні сполуки є сукупністю «складених атомів», що містять певні (характерні для даної складної речовини) числа атомів кожного елементу. Всі хімічні реакції є лише перегрупуваннями атомів у нові складні частки. Виходячи з цих положень, Дальтон сформулював свій закон кратних стосунків (див. Кратних стосунків закон ) . Дослідження італійських учених А. Авогадро (1811) і, особливо, С. Канніццаро (1858) провели чітку грань між атомом і молекулою. У 19 ст поряд з хімічними властивостями атомів були вивчені їх оптичні властивості. Було встановлено, що кожен елемент володіє характерним оптичним спектром; був відкритий спектральний аналіз (німецькі фізики Г. Кирхгоф і Р. Бунзен, 1860).

  Т. о., атом з'явився як якісно своєрідна частка речовини, що характеризується строго певними фізичними і хімічними властивостями. Але властивості атома вважалися одвічними і нез'ясовними. Вважали, що число видів атомів (хімічних елементів) випадкове і що між ними не існує жодного зв'язку. Проте поступово з'ясувалося, що існують групи елементів, що володіють однаковими хімічними властивостями — однаковою максимальною валентністю, і схожими законами зміни (при переході від однієї групи до іншої) фізичних властивостей, — температури плавлення, стисливості і ін. У 1869 Д. І. Менделєєв відкрив періодичну систему елементів . Він показав, що із збільшенням атомної маси елементів їх хімічні і фізичні властивості періодично повторюються ( мал. 1 і 2 ).

  Періодична система довела існування зв'язку між різними видами атомів. Напрошувався вивід, що атом має складна будова, що змінюється з атомною масою. Проблема розкриття структури атома стала найважливішою в хімії і у фізиці (детальніше за див.(дивися) Атомізм ) .

  Виникнення атомної фізики. Найважливішими подіями в науці, від яких бере почало А. ф., були відкриття електрона і радіоактивності. При дослідженні проходження електричного струму через сильно розріджені гази були відкриті промені, що випускаються катодом розрядної трубки (катодні промені) і що володіють властивістю відхилятися в поперечному електричному і магнітному полях. З'ясувалося, що ці промені складаються з швидко заряджених часток, що летять негативно, названих електронами. У 1897 англійський фізик Дж. Дж. Томсон виміряв відношення заряду е цих часток до їх маси m. Було також виявлене, що метали при сильному нагріванні або освітленні світлом короткої довжини хвилі випускають електрони (див. Термоелектронна емісія, фотоелектронна емісія ) . З цього було зроблено висновок, що електрони входять до складу будь-яких атомів. Звідси далі витікало, що нейтральні атоми повинні також містити і позитивно заряджені частки. Позитивно заряджені атоми — іони — були дійсно виявлені при дослідженні електричних розрядів в розріджених газах. Уявлення про атом як про систему заряджених часток пояснювало згідно теорії голландського фізика Х. Лоренца, саму можливість випромінювання атомом світла (електромагнітних хвиль): електромагнітне випромінювання виникає при коливаннях внутріатомних зарядів; це отримало підтвердження при дослідженні дії магнітного поля на атомні спектри (див. Зеемана явище ) . З'ясувалося, що відношення заряду внутріатомних електронів до їх маси е/m, знайдене Лоренцом в його теорії явища Зеемана, в точності дорівнює значенню е/m для вільних електронів, отриманому в дослідах Томсона. Теорія електронів і її експериментальне підтвердження дали безперечний доказ складності атома.

  Уявлення про неподільність і неперетворювану атома було остаточно спростоване роботами французьких вчених М. Ськлодовськой-кюрі і П. Кюрі . В результаті вивчення радіоактивності було встановлено (Ф. Содді ) , що атоми випробовують перетворення двох типів. Випустивши а-частку (іон гелію з позитивним зарядом 2 e ), атом радіоактивного хімічного елементу перетворюється на атом іншого елементу, розташованого в періодичній системі на 2 клітки лівіше, наприклад атом полонія — в атом свинцю. Випустивши b-частку (електрон) з негативним зарядом - е, атом радіоактивного хімічного елементу перетворюється на атом елементу, розташованого на 1 клітку правіше, наприклад атом вісмуту — в атом полонія. Маса атома, що утворився в результаті таких перетворень, виявлялася інколи відмінною від атомної ваги того елементу, в клітку якого він потрапляв. Звідси слідувало існування різновидів атомів одного і того ж хімічного елементу з різними масами; ці різновиди надалі отримали назву ізотопів (тобто що займають одне і те ж місце в таблиці Менделєєва). Отже, уявлення про абсолютну тотожність всіх атомів даного хімічного елементу виявилися невірними.

  Результати дослідження властивостей електрона і радіоактивності дозволили будувати конкретні моделі атома. У моделі запропонованою Томсоном в 1903, атом представлявся у вигляді позитивний зарядженої сфери, в яку вкраплені незначні за розміром (в порівнянні з атомом) негативні електрони ( мал. 3 ).

  Вони стримуються в атомі завдяки тому, що сили тяжіння їх розподіленим позитивним зарядом врівноважуються силами їх взаємного відштовхування. Томсонівська модель давала відоме пояснення можливості випускання, розсіяння і поглинання світла атомом. При зсуві електронів з положення рівноваги виникає «пружна» сила, прагнуча відновити рівновагу; ця сила пропорційна зсуву електрона з рівноважного положення і, отже, дипольному моменту атома. Під дією електричних сил падаючої електромагнітної хвилі електрони в атомі вагаються з тією ж частотою, що і електрична напруженість в світловій хвилі; електрони, що коливаються, у свою чергу, випускають світло тієї ж частоти. Так відбувається розсіяння електромагнітних хвиль атомами речовини. По мірі ослабіння світлового пучка в товщі речовини можна взнати загальне число розсіюючих електронів, а знаючи число атомів в одиниці об'єму, можна визначити число електронів в кожному атомі.

  Створення Резерфордом планетарної моделі атома. Модель атома Томсона виявилася незадовільною. На її основі не удалося пояснити абсолютно несподіваний результат дослідів англійського фізика Е. Резерфорда і його співробітників Х. Гейгера і Е. Марсдена по розсіянню а-часток атомами. У цих дослідах швидкі а-частки були застосовані для прямого зондування атомів. Проходячи через речовину, а-частки стикаються з атомами. При кожному зіткненні а-частка, пролітаючи через електричне поле атома, змінює напрям руху — випробовує розсіяння. У переважній більшості актів розсіяння відхилення а-часток (кути розсіяння) були дуже малі. Тому при проходженні пучка а-часток через тонкий шар речовини відбувалося лише невелике розмиття пучка. Проте дуже мала доля а-часток відхилялася на кути більш 90°. Цей результат не можна було пояснити на основі моделі Томсона, т.к. електрічеськоє поле в «суцільному» атомі недостатньо сильно, щоб відхилювати швидку і масивну а-частку на великий кут. Щоб пояснити результати дослідів по розсіянню а-часток, Резерфорд запропонував принципово нову модель атома, Сонячну систему, що нагадує по будові, і що отримала назву планетарної. Вона має наступний вигляд. В центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, розміри якого (~10 -12 см ) дуже малі в порівнянні з розмірами атома (~10 -8 см ) , а маса майже дорівнює масі атома. Довкола ядра рухаються електрони, подібно до планет довкола Сонця; число електронів в незарядженому (нейтральному) атомі таке, що їх сумарний негативний заряд компенсує (нейтралізує) позитивний заряд ядра. Електрони повинні рухатися довкола ядра, інакше вони впали б на нього під дією сил тяжіння. Відмінність між атомом і планетною системою полягає в тому, що в останній діють сили тяжіння, а в атомі — електричні (кулонівські) сили. Поблизу ядра, яке можна розглядати як точковий позитивний заряд, існує дуже сильне електричне поле. Тому, пролітаючи поблизу ядра, позитивно заряджені а-частки (ядра гелію) випробовують сильне відхилення (см. мал.(малюнок) 4 ). Надалі було з'ясовано (Р. Мозлі), що заряд ядра зростає від одного хімічного елементу до іншого на елементарну одиницю заряду, рівну заряду електрона (але з позитивним знаком). Чисельно заряд ядра атома, виражений в одиницях елементарного заряду е, дорівнює порядковому номеру відповідного елементу в періодичній системі.

  Для перевірки планетарної моделі Резерфорд і його співробітник Ч. Дарвін підрахували кутовий розподіл а-часток, розсіяних точковим ядром — центром кулонівських сил. Отриманий результат був перевірений дослідним дорогою — виміром числа а-часток, розсіяних під різними кутами. Результати досвіду в точності збіглися з теоретичними розрахунками, блискуче підтвердивши тим самим планетарну модель атома Резерфорда.

  Проте планетарна модель атома натрапила на принципові труднощі. Згідно з класичною електродинамікою, заряджена частка, рухома з прискоренням, безперервно випромінює електромагнітну енергію. Тому електрони, рухаючись довкола ядра, тобто прискорено, повинні були б безперервно втрачати енергію на випромінювання. Але при цьому вони за нікчемну частку секунди втратили б всю свою кінетичну енергію і впали б на ядро. Інша трудність, пов'язана також з випромінюванням, полягала в наступному: якщо прийняти (відповідно до класичної електродинаміки), що частота випромінюваного електроном світла дорівнює частоті коливань електрона в атомі (тобто числу зворотів, що здійснюються їм по своїй орбіті в одну секунду) або має кратне нею значення, то випромінюване світло у міру наближення електрона до ядра повинне було б безперервно змінювати свою частоту, і спектр випромінюваного ним світла має бути суцільним. Але це протіворечит досвіду. Атом випромінює світлові хвилі сповна певних частот, типових для даного хімічного елементу, і характеризується спектром, що складається з окремих спектральних ліній, — лінійчатим спектром. У лінійчатих спектрах елементів були експериментально встановлені ряд закономірностей, перша з яких була відкрита швейцарським ученим І. Бальмером (1885) в спектрі водню. Найбільш загальна закономірність — комбінаційний принцип — була знайдена австрійським ученим В. Рітцем (1908). Цей принцип можна сформулювати таким чином: для атомів кожного елементу можна знайти послідовність чисел T 1 , T 2 , T 3 ... — т.з. спектральних термів, таких, що частота v кожної спектральної лінії даного елементу виражається у вигляді різниці двох термів: v = T до - T i . Для атома водню терм T n = R/n 2 , де n — ціле число, що набуває значення n = 1, 2, 3..., а R — т . н. постійна Рідбергу (див. Рідбергу постійна ) .

  Т. о., в рамках моделі атома Резерфорда не могли бути пояснені стійкість атома по відношенню до випромінювання і лінійчаті спектри його випромінювання. На її основі не могли бути пояснені і закони теплового випромінювання, і закони фотоелектричних явищ, які виникають при взаємодії випромінювання з речовиною. Ці закони виявилося можливим пояснити, виходячи з абсолютно нових — квантових— вистав, вперше введених німецьким фізиком М. Планком (1900). Для виведення закону розподілу енергії в спектрі теплового випромінювання — випромінювання нагрітих тіл — Планк передбачив, що атоми речовини випускають електромагнітну енергію (світло) у вигляді окремих порцій — квантів світла, енергія яких пропорційна v (частоті випромінювання): E = hv, де h — постійна, характерна для квантової теорії і така, що отримала назву Планка постійної . В 1905 А. Ейнштейн дав квантове пояснення фотоелектричних явищ згідно з яким енергія кванта hv йде на виривання електрона з металу — робота виходу Р — і на повідомлення йому кінетичну енергії Т конів ; hv = Р + T конів . При цьому Ейнштейн ввів поняття про кванти світла як особливого роду частках; ці частки згодом отримали назву фотонів .

  Протиріччя моделі Резерфорда виявилося можливим вирішити, лише відмовившись від ряду звичних представлень класичної фізики. Найважливіший крок в побудові теорії атома був зроблений данським фізиком Н. Бором (1913).

  Постулати Бору і модель атома Бору . У основу квантової теорії атома Бор поклав 2 постулати, що характеризують ті властивості атома, які не укладалися в рамки класичної фізики. Ці постулати Бору можуть бути сформульовані таким чином:

  1. Існування стаціонарних станів. Атом не випромінює і є стійким лише в деяких стаціонарних (незмінних в часі) станах, відповідних дискретному (переривчастому) ряду «дозволених» значень енергії E 1 , E 2 , E 3 , E 4 ... Будь-яка зміна енергії пов'язано з квантовим (стрибкоподібним) переходом з одного стаціонарного стану в інше.

  2. Умова частот випромінювання (квантових переходів з випромінюванням). При переході з одного стаціонарного стану з енергією E i в інше з енергією E до атом випускає або поглинає світло певної частоти v у вигляді кванта випромінювання (фотона) hv, згідно із співвідношенням hv = E i - E до . При випусканні атом переходить із стану з більшою енергією E i в стан з меншою енергією E до , при поглинанні, навпаки, із стану з меншою енергією E до в стан з більшою енергією E i .

  Постулати Бору відразу дозволяють зрозуміти фізичний сенс комбінаційного принципу Рітца (див. вищий); порівняння співвідношень hv = E i - E до і v = T до - T i показує, що спектральні терми відповідають стаціонарним станам, і енергія останніх повинна дорівнювати (з точністю до постійного доданку) E i = - ht i , E до = - ht до .

  При випусканні або поглинанні світла змінюється енергія атома, ця зміна дорівнює енергії випущеного або поглиненого фотона, тобто має місце закон збереження енергії. Лінійчатий спектр атома є результатом дискретності можливих значень його енергії.

  Для визначення дозволених значень енергії атома — квантування його енергії — і для знаходження характеристик відповідних стаціонарних станів Бор застосував класичну (ньютонівську) механіку. «Якщо ми бажаємо взагалі скласти наочне уявлення про стаціонарні стани, у нас немає інших засобів, принаймні зараз, окрім звичайної механіки», — писав Бор в 1913 («Три статті про спектри і будову атомів», М-код.—Л., 1923, с. 22). Для простого атома — атома водню, що складається з ядра із зарядом + е (протона) і електрона із зарядом - e , Бор розглянув рух електрона довкола ядра по кругах орбітам. Порівнюючи енергію атома Е із спектральними термами T n = R/n 2 для атома водню, знайденими з великою точністю з частот його спектральних ліній, він набув можливих значень енергії атома E n = - ht n = -hR/n 2 ( де n = 1, 2, 3...). Вони відповідають круговим орбітам радіусу а n = а 0 n 2 , де а 0 = 0,53·10 -8 см — боровський радіус — радіус найменшої кругової орбіти (при n = 1). Бор обчислив частоти звернення v електрона довкола ядра по кругових орбітах залежно від енергії електрона. Виявилось, що частоти випромінюваного атомом світла не збігаються з частотами звернення v n , як цього вимагає класична електродинаміка, а пропорційні, згідно із співвідношенням hv = E i - E до , різниці енергій електрона на двох можливих орбітах.

  Для знаходження зв'язку частоти звернення електрона по орбіті і частоти випромінювання Бор зробив припущення, що результати квантової і класичної теорій повинні збігатися при малих частотах випромінювання (для великих довжин хвиль; такий збіг має місце для теплового випромінювання, закони якого були виведені Планком). Він прирівняв для великих n частоту переходу v = ( E n+1 - E n )/ h частоті звернення v n по орбіті з даним n і обчислив значення постійною Рідбергу R, яке з великою точністю збіглося із значенням R, знайденим з досвіду, що підтвердило боровськоє припущення. Бору удалося також не лише пояснити спектр водню, але і переконливо показати, що деякі спектральні лінії, які приписувалися водню, належать гелію. Припущення Бору про те, що результати квантової і класичної теорій повинні збігатися в граничному випадку малих частот випромінювання, представляло первинну форму т.з. принципу відповідності. Надалі Бор успішно застосував його для знаходження інтенсивностей ліній спектру. Як показав розвиток сучасної фізики, принцип відповідності виявився вельми загальним (див. Відповідності принцип ) .

  В теорії атома Бору квантування енергії, тобто знаходження її можливих значень, виявилося окремим випадком загального методу знаходження «дозволених» орбіт. Згідно квантової теорії, такими орбітами є лише ті, для яких момент кількості руху електрона в атомі дорівнює цілому кратному h/2p. Кожній дозволеній орбіті відповідає певне можливе значення енергії атома (див. Атом ) .

  Основні положення квантової теорії атома — 2 постулати Бору — були всесторонньо підтверджені експериментально. Особливо наочне підтвердження дали досліди німецьких фізиків Дж. Франка і Г. Герца (1913—16). Суть цих дослідів така. Потік електронів, енергією яких можна управляти, потрапляє в судину, що містить пари ртуті. Електронам повідомляється енергія, яка поступово підвищується. У міру збільшення енергії електронів струм в гальванометрі, включеному в електричний ланцюг, збільшується; коли ж енергія електронів виявляється рівною певним значенням (4,9; 6,7; 10,4 ев ), струм різко падає ( мал. 5 ). Одночасно можна виявити, що пари ртуті випускають ультрафіолетові промені певної частоти.

  Викладені факти допускають лише одне тлумачення. Поки енергія електронів менше 4,9 ев, електрони при зіткненні з атомами ртуті не втрачають енергії — зіткнення мають пружний характер. Коли ж енергія виявляється рівною певному значенню, саме 4,9 ев, електрони передають свою енергію атомам ртуть, яка потім випускає її у вигляді квантів ультрафіолетового світла. Розрахунок показує, що енергія цих фотонів рівна якраз тій енергії, яку втрачають електрони. Ці досліди довели що внутрішня енергія атома може мати лише певні дискретні значення, що атом поглинає енергію ззовні і випускає її відразу цілими квантами і що, нарешті, частота світла, що випускається атомом, відповідає енергії, що втрачається атомом.

  Подальший розвиток А. ф. показало справедливість постулатів Бору не лише для атомів, але і для інших мікроскопічних систем — для молекул і для атомних ядер. Ці постулати слід розглядати як твердо встановлені дослідні квантові закони. Вони складають ту частину теорії Бору, яка не лише збереглася при подальшому розвитку квантової теорії, але і отримала своє обгрунтування. Інакше йде справа з моделлю атома Бору, заснованою на розгляді руху електронів в атомі за законами класичної механіки при накладенні додаткових умов квантування. Такий підхід дозволив отримати цілий ряд важливих результатів, але був непослідовним: квантові постулати були приєднані до законів класичної механіки штучно. Послідовною теорією з'явилася створена в 20-х рр. 20 ст квантова механіка . Її створення було підготовлене подальшим розвитком модельних представлень теорії Бору, в ході якого з'ясувалися її сильні і слабкі сторони.

  Розвиток модельної теорії атома Бору. Вельми важливим результатом теорії Бору було пояснення спектру атома водню. Подальший крок в розвитку теорії атомних спектрів був зроблений німецьким фізиком А. Зоммерфельдом. Розробивши детальніше правила квантування, виходячи із складнішої картини руху електронів в атомі (по еліптичних орбітах) і враховуючи екранування зовнішнього (т.з. валентного) електрона в полі ядра і внутрішніх електронів, він зумів дати пояснення ряду закономірностей спектрів лужних металів.

  Теорія атома Бору пролила світло і на структуру т.з. характеристичних спектрів рентгенівського випромінювання. Рентгенівські спектри атомів так само, як і їх оптичні спектри, мають дискретну лінійчату структуру, характерну для даного елементу (звідси і назва). Досліджуючи характеристичні рентгенівські спектри різних елементів, англійський фізик Г. Мозлі відкрив наступну закономірність: квадратне коріння з частот ліній, що випускаються, рівномірно зростають від елементу до елементу по всій періодичній системі Менделєєва пропорційно атомному номеру елементу. Цікава та обставина, що закон Мозлі повністю підтвердив правоту Менделєєва, що порушив в деяких випадках принцип розміщення елементів в таблиці по зростаючій атомній вазі і що поставив деякі важчі елементи попереду легших.

  На основі теорії Бору удалося дати пояснення і періодичності властивостей атомів. У складному атомі утворюються електронні оболонки, які послідовно заповнюються, починаючи від самої внутрішньої, певними числами електронів (фізична причина утворення оболонок стала ясна лише на підставі принципу Паулі, див.(дивися) нижчий). Структура зовнішніх електронних оболонок періодично повторюється, що обумовлює періодична повторюваність хімічних і багатьох фізичних властивостей елементів, розташованих в одній і тій же групі періодичної системи. На основі ж теорії Бору німецьким хіміком В. Косселем були пояснені (1916) хімічної взаємодії В т. н. гетерополярних молекулах.

  Проте далеко не всі питання теорії атома удалося пояснити на основі модельних представлень теорії Бору. Вона не справлялася з багатьма завданнями теорії спектрів, дозволяла набувати лише правильних значень частот спектральних ліній атома водню і водородоподобних атомів, інтенсивності ж цих ліній залишалися непоясненими; Бору для пояснення інтенсивностей довелося застосувати принцип відповідності.

  При переході до пояснення рухів електронів в атомах, складніших, ніж атом водню, модельна теорія Бору попала в безвихідь. Вже атом гелію, в якому довкола ядра рухаються 2 електрони, не піддавався теоретичній інтерпретації на її основі. Труднощі при цьому не вичерпувалися кількісними розбіжностями з досвідом. Теорія виявилася безсилою і у вирішенні такої проблеми, як з'єднання атомів в молекулу. Чому 2 нейтральних атома водню з'єднуються в молекулу водню? Як взагалі пояснити природу валентності? Що зв'язує атоми твердого тіла? Ці питання залишалися без відповіді. В рамках боровськой моделі не можна було знайти підходу до їх рішення.

  Квантовомеханічна теорія атома. Обмеженість боровськой моделі атома коренилася в обмеженості класичних уявлень про рух мікрочасток. Стало ясно, що для подальшого розвитку теорії атома необхідно критично переглянути основні уявлення про рух і взаємодію мікрочасток. Незадовільність моделі, заснованої на класичній механіці з додаванням умов квантування, виразно розумів і сам Бор, погляди якого зробили великий вплив на подальший розвиток А. ф. Початком нового етапу розвитку А. ф. послужила ідея висловлена французьким фізиком Л. де Бройлем (1924) про подвійну природу руху мікрооб'єктів, зокрема електрона (див. Хвилі де Бройля ) . Ця ідея стала вихідним пунктом квантової механіки, створеною в 1925—26 працями В. Гейзенберга і М. Борна (Німеччина), Е. Шредінгера (Австрія) і П. Дірака (Англія), і розробленою на її основі сучасної квантовомеханічної теорії атома.

  Уявлення квантової механіки про рух електрона (взагалі мікрочастки) корінним чином відрізняються від класичних. Згідно з квантовою механікою, електрон не рухається по траєкторії (орбіті), подібно до твердої кульки; руху електрона властиві також і деякі особливості, характерні для поширення хвиль. З одного боку, електрон завжди діє (наприклад, при зіткненнях) як єдине ціле, як частка, що володіє неділимим зарядом і масою; в той же час електрони з певною енергією і імпульсом поширюються подібно до плоскої хвилі, певною частотою, що володіє (і певною довжиною хвилі). Енергія електрона Е як частки пов'язана з частотою v електронної хвилі співвідношенням: E=hv, а його імпульс р — з довжиною хвилі l співвідношенням: р = h/l.

  Стійкі рухи електрона в атомі, як показав Шредінгер (1926), в деякому відношенні аналогічні стоячим хвилям, амплітуди яких в різних крапках різні. При цьому в атомі, як в коливальній системі, можливі лише деякі «вибрані» рухи з певними значеннями енергії, моменту кількості руху і проекції моменту електрона в атомі. Кожен стаціонарний стан атома описується при допомозі деякій хвилевій функції, що є вирішенням хвилевого рівняння особливого типа — рівняння Шредінгера; хвилевій функції відповідає «електронна хмара», що характеризує (в середньому) розподіл щільності електронного заряду в атомі (див. Атом, там же на мал. 3   показані проекції «електронних хмар» атома водню). У 20—30-х рр. були розроблені наближені методи розрахунку розподілу щільності електронного заряду в складних атомах, зокрема метод Томаса — Фермі (1926, 1928). Ця величина і пов'язане з нею значення т.з. атомного чинника важливі при дослідженні електронних зіткнень з атомами, а також розсіяння ними рентгенівських променів.

  На основі квантової механіки удалося шляхом рішення рівняння Шредінгера правильно розрахувати енергії електронів в складних атомах. Наближені методи таких розрахунків були розроблені в 1928 Д. Хартрі (Англія) і в 1930 В. А. Фоком (СРСР). Дослідження атомних спектрів повністю підтвердили квантовомеханічну теорію атома. При цьому з'ясувалося, що полягання електрона в атомі істотно залежить від його спина власного механічного моменту кількості руху. Було дано пояснення дії зовнішніх електричних і магнітних полів на атом (див. Штарка явище, Зеемана явище ) . Важливий загальний принцип, пов'язаний із спином електрона, був відкритий швейцарським фізиком В. Паулі (1925) (див. Паулі принцип ) , згідно з цим принципом, в кожному електронному поляганні в атомі може знаходитися лише один електрон; якщо даний стан вже зайнятий яким-небудь електроном, то подальший електрон, входивши до складу атома, вимушений займати інший стан. На основі принципу Паулі були остаточно встановлені числа заповнення електронних оболонок в складних атомах, що визначають періодичність властивостей елементів. Виходячи з квантової механіки, німецькі фізики В. Гейтлер і Ф. Лондон (1927) дали теорію т.з. гомеополярному хімічному зв'язку двох однакових атомів (наприклад, атомів водню в молекулі H 2 ), не з'ясовному в рамках боровськой моделі атома.

  Важливими вживаннями квантової механіки в 30-х рр. верб подальшому були дослідження зв'язаних атомів, що входять до складу молекули або кристала. Стани атома, що є частиною молекули, істотно відрізняються від станів вільного атома. Істотні зміни зазнає атом також в кристалі під дією внутрішньокристалічного поля, теорія якого була вперше розроблена Х. Бете (1929). Досліджуючи ці зміни, можна встановити характер взаємодії атома з його оточенням. Найбільшим експериментальним досягненням в цій області А. ф. було відкриття Е. К. Завойським в 1944 електронного парамагнітного резонансу, що дав можливість вивчати різні зв'язки атомів з довкіллям.

  Сучасна атомна фізика. Основними розділами сучасної А. ф. є теорія атома, атомна (оптична) спектроскопія, рентгенівська спектроскопія, радіоспектроскопія (вона досліджує також і обертальні рівні молекул), фізика атомних і іонних зіткнень. Різні розділи спектроскопії охоплюють різні діапазони частот випромінювання і, відповідно, різні діапазони енергій квантів. Тоді як рентгенівська спектроскопія вивчає випромінювання атомів з енергіями квантів до сотень тис. ев, радіоспектроскопія має справу з дуже малими квантами — аж до квантів менш 10 -6 ев.

  Найважливіше завдання А. ф. — детальне визначення всіх характеристик станів атома. Йдеться про визначенні можливих значень енергії атома — його рівнів енергії, значень моментів кількості руху і інших величин, що характеризують стани атома. Досліджуються тонка і надтонка структури рівнів енергії (див. Атомні спектри ) , зміни рівнів енергії під дією електричних і магнітного полів — як зовнішніх, макроскопічних, так і внутрішніх, мікроскопічних. Велике значення має така характеристика станів атома, як час життя електрона на рівні енергії. Нарешті, велика увага приділяється механізму збудження атомних спектрів.

  Області явищ, досліджуваних різними розділами А. ф., перекриваються. Рентгенівська спектроскопія виміром випускання і поглинання рентгенівських променів дозволяє визначити головним чином енергії зв'язку внутрішніх електронів з ядром атома (енергії іонізації), розподіл електричного поля усередині атома. Оптична спектроскопія вивчає сукупності спектральних ліній, що випускаються атомами, визначає характеристики рівнів енергії атома, інтенсивності спектральних ліній і пов'язані з ними часи життя атома в збуджених станах, тонку структуру рівнів енергії, їх зсув і розщеплювання в електричному і магнітному полях. Радіоспектроскопія детально досліджує ширину і форму спектральних ліній, їх надтонку структуру, зрушення і розщеплювання в магнітному полі, взагалі внутріатомні процеси, що викликаються дуже слабкими взаємодіями і впливами середовища.

  Аналіз результатів зіткнень швидких електронів і іонів з атомами дає можливість отримати зведення про розподіл щільності електронного заряду («електронної хмари») усередині атома, про енергії збудження атома, енергії іонізації.

  Результати детального дослідження будови атомів знаходять найширші вживання не лише в багатьох розділах фізики, але в е р б хімії, астрофізиці і інших галузях науки. На підставі вивчення розширення і зрушення спе