2. Теория разрешенных круговых орбит
Согласно теории Бора, электроны могут обращаться вокруг ядра атома только по строго определенным, разрешенным круговым орбитам, причем, двигаясь по таким орбитам, электроны не излучают электромагнитную энергию. То, какую именно разрешенную орбиту будет занимать электрон, зависит от энергии атома.
В основном, невозбужденном состоянии атом обладает минимальной энергией, и электрон вращается по наиболее близкой к ядру орбите. В этом случае связь электрона с ядром наиболее прочная. Если атом получает дополнительную порцию энергии, он переходит в возбужденное состояние. При этом электрон перемещается на одну из наиболее удаленных от ядра орбит.
Таким образом энергия электрона в возбужденном атоме больше, чем энергия электрона в атоме в основном, невозбужденном состоянии. Возбужденное состояние атома очень непродолжительно: оно длится лишь стомиллионные доли секунды, после чего электрон возвращается на исходную орбиту. Он может перейти с отдаленной орбиты на исходную непосредственно, либо через находящиеся между ними другие разрешенные орбиты.
Этот переход электрона сопровождается уменьшением энергии атома и выделением ее в виде электромагнитного излучения. По Бору излучение энергии атома происходит только при переходе электрона с более отдаленных орбит на орбиты, расположенные ближе к ядру.
Электрон, движущийся по одной и той же орбите, не излучает энергию. В атоме, находящемся в основном состоянии, электрон может вращаться бесконечно долго, т. е. такой атом является очень устойчивой системой.
При переходе электрона с более отдаленной от ядра орбиты на орбиту, более близкую к ядру, энергия излучения изменяется не непрерывно, а порциями — квантами. Величина кванта энергии связана с частотой излучения α или длиной α соотношением
E = E2 — E1 = hv = h·с/α
где E1 и E2 — энергия атома в состояниях 1 и 2;
h — постоянная Планка, равная 6,625 · 1034 Дж/с;
с — скорость света, равная 2,998 · 108 м/с.
В классической механике вращение тела вокруг центра определяется моментом количества движения m·v·r, где m — масса тела; v — скорость его движения; r — радиус окружности, по которому оно вращается. По Бору момент количества движения электрона в атоме водорода может быть равен только целому числу квантов действия n·h/2α, где n — натуральное число; h — постоянная Планка, поэтому
m * v * r = n·h/2υ (1)
Принимая во внимание равенство центробежной силы (f1 = m·v2 / r) центростремительной силе (f1 = e2/r2), действующих в системе ядро атома водорода — электрон, получаем
m·v2 / r = e2/r2 (2)
Сочетая уравнения (1) и (2), находим:
r = h2n2/4λ2·m·e2 и v = 2λe2/hn.
Полученные уравнения позволяют рассчитать радиусы разрешенных орбит в атоме водорода и скорости движения по ним электрона.
Теория Бора находится в резком противоречии с положениями классической механики, которая допускает вращение электрона по любой орбите и считает невозможным движение заряженной частицы по круговой орбите без излучения энергии.
Однако рассчитанные Бором атомные спектры хорошо совпадали со спектрами, полученными экспериментально. Так в атомном спектре водорода линии в ультрафиолетовой части оказались связанными с переходами электрона с более удаленных разрешенных орбит на ближайшую к ядру. Линии в видимой части спектра соответствовали переходам электрона с 3-й (Hα), 4-й (Hβ) и 5-й (Hγ) орбит на 2-ю. В инфракрасной области спектра водорода линии связаны с переходами электрона с более удаленных разрешенных орбит на 3-ю и т. д.
Таким образом теория Бора не только объяснила физическую природу линейного характера атомных спектров как результат перехода электрона с одной разрешенной орбиты атома на другую, но и позволила рассчитать положение линий в спектре.
В дальнейшем в теорию Бора были внесены дополнения, допускавшие возможность движения электрона в атоме не только по круговым, но и по эллиптическим орбитам, расположенным в различных плоскостях. Несмотря на эти дополнения и усовершенствования, теория Бора не смогла объяснить некоторые свойства многоэлектронных атомов.
