Примечательно, что в это же время идея дискретности прокладывала себе путь еще в одном направлении (не имеющим отношения к спектроскопии атомов). Речь идет об облучении внутри замкнутого объема, или, иными словами, об излучении абсолютно черного тела. Анализируя экспериментальные данные, Планк в 1900 г. выдвинул знаменательную гипотезу. Он предположил, что энергия электромагнитного излучения испускается стенками полости не непрерывно, а порциями (квантами), причем энергия одного кванта равна

E = hω,

где ω – частота излучения, а h – некоторая универсальная постоянная (так в физике появилась постоянная Планка). Как известно, гипотеза Планка обеспечила согласие теории с экспериментом и, в частности, устранила неприятности, возникавшие в прежней теории при переходе к большим частотам и известные под названием «ультрафиолетовой катастрофы».

Идея квантования и модель атома водорода по Бору. В 1913 г. Бор предложил теорию атома водорода. Эта теория возникла как результат «слияния» планетарной модели атома Резерфорда, комбинационного принципа Ритца и идеи квантования энергии Планка.

Согласно теории Бора, существуют состояния, находясь в которых атом не излучает (стационарные состояния); энергия этих состояний образует дискретный спектр: Е1, Е2, ., Еn, . Атом излучает (поглощает), переходя из одного стационарного состояния в другое; излучаемая (поглощаемая) энергия есть разность энергий соответствующих стационарных состояний. Так, при переходе из состояния с энергией Еn в состояние с меньшей энергией Еk испускается квант излучения с энергией (Еn - Еk), при этом в спектре атома появляется линия с частотой

ω = (Еn - Еk) / h.

Это формула отражает знаменитое правило частот Бора.

В теории Бора n-му стационарному состоянию атома водорода соответствует круговая орбита радиуса rn, по которой электрон движется вокруг ядра. Для вычисления rn Бор предложил воспользоваться, во-первых, вторым законом Ньютона для заряда, движущегося по окружности под действием кулоновской силы:

mvn2 / rn = е2 / rn2

(здесь m и e – масса и заряд электрона, vn – скорость электрона на n-й орбите), и, во-вторых, условием квантования момента импульса электрона

mvnrn = nh.

Используя эти соотношения, легко найти rn и vn :

rn = h2n2 / me2, vn = e2 / hn.

Энергия Еn стационарного состояния состоит из кинетического (Тn) и потенциального (Un) слагаемых: Еn = Тn + Un. Полагая, что Тn = mvn2 /2, Un = = - е2 / rn и используя последние формулы, находим

Еn = - me4 / 2h2n2.

Отрицательность энергии означает, что электрон находится в связанном состоянии (за нуль принимается энергия свободного электрона).

Подставив полученный результат в правило частот и сопоставив полученное при этом выражение с формулой ωn = 2πcR( 1/k2 - 1/n2), можно, следуя Бору, найти выражение для постоянной Ридберга:

R = me4 / 4πch3.

Теория Бора (или, как теперь принято говорить, «старая квантовая теория») страдала внутренними противоречиями; так, для определения радиуса орбиты приходилось пользоваться соотношениями совершенно разной природы – «классической» и «квантовой». Тем не менее эта теория имела большое значение как первый шаг в создании последовательной квантовой теории. При этом впервые удалось объяснить природу спектральных термов (а следовательно, и комбинационного принципа Ритца) и получить расчетное значение постоянной Ридберга, которая соответствовала своему эмпирическому значению. Успехи теории говорили о плодотворности идеи квантования. Познакомившись с расчетами Бора, Зоммерфельд написал ему письмо, где в частности писал: «Благодарю Вас за Вашу чрезвычайно интересную работу. Меня давно занимает проблема выражения постоянной Ридберга при помощи величины Планка. Хотя в данный момент я еще скептически отношусь к моделям атомов в целом, тем не менее вычисление этой постоянной, бесспорно, является настоящим подвигом.»

О квантовании момента импульса. Заметим, что в отличие от энергии момент импульса микрообъекта квантуется всегда. Так, наблюдаемые значения квадрата момента импульса микрообъекта выражаются формулой

M2 = h2l (l + 1),

где l – целые числа 0, 1, 2, . Если речь о моменте импульса электрона в атоме в n-м стационарном состоянии, то число l принимает значения от нуля до n-1.

В литературе принято называть момент импульса микрообъекта для краткости просто моментом.

Проекция момента микрообъекта на некоторое направление (обозначим его как z-направление) принимает значения

Mz = hm,

где m=-l, -l+1, ., l-1, l. При данном значении числа l число m принимает 2l+1 дискретных значений. Подчеркнем, что различные проекции момента микрообъекта на одно и тоже направление всегда отличаются друг от друга на величины, кратные постоянной Планка.

Выше уже отмечалось, что спин есть своеобразный, «внутренний» момент микрообъекта, имеющий для данного микрообъекта определенную величину. В отличие от спинового момента, обычный момент принято называть орбитальным. Кинематически спиновой момент аналогичен орбитальному; естественно, что для нахождения возможных проекций спинового момента надо пользоваться формулой типа Mz = hm (как и в случае орбитального момента, проекции спинового момента отличаются друг от друга на величины, кратные постоянной Планка). Если s – спин микрообъекта, то проекция спинового момента принимает значение hσ, где σ = -s, -s+1, ., s-1, s. Так, проекция спина электрона принимает значения -h/2 и h/2.

Рассматриваемые здесь числа n, l, m, σ, фиксирующие различные дискретные значения квантующихся динамических переменных (в данном случае энергии и момента), принято называть квантовыми числами. Конкретно: n – так называемое главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число, m – магнитное квантовое число, σ – спиновое квантовое число. Существуют и другие квантовые числа.

Противоречия квантовых переходов. Несмотря на большой успех теории Бора, идея квантования порождала первоначально серьезные сомнения; было подмечено, что эта идея внутренне противоречива. Так, в письме к Бору Резерфорд писал (в 1913 г.): «Ваши мысли относительно причин возникновения спектра водорода очень остроумны и представляются хорошо продуманными. Однако сочетание идей Планка со старой механикой создает значительные трудности для понимания того, что же все-таки является основой такого рассмотрения. Я обнаружил серьезное затруднение в связи с Вашей гипотезой, в котором Вы, без сомнения, полностью отдаете себе отчет. Оно состоит в следующем: как может электрон знать, с какой частотой он должен колебаться, переходя из одного стационарного состояние в другое? Мне кажется, что Вы вынуждены предположить, что электрон знает заблаговременно, где он собирается остановится».

Поясним отмеченную Резерфордом трудность. Пусть электрон находится на уровне Е1 (рис.1); чтобы перейти на уровень Е2, электрон должен поглотить квант излучения (т.е. фотон) с определенной энергией, равной Е2-Е1. Поглощение фотона с любой другой энергией не может приводить к указанному переходу и по этой причине оказывается невозможным (для простоты рассматриваем только два уровня). Возникает вопрос: каким же образом электрон производит «выбор» «нужного» фотона из падающего потока фотона разной энергии? Ведь, чтобы «выбрать» «нужный» фотон, электрон должен уже «знать» о втором уровне, т.е. должен как бы уже побывать на нем. Однако, чтобы побывать на втором уровне, электрон должен сначала поглотить «нужный» фотон. Возникает замкнутый круг.