Атом водорода. Линейчатые спектры
Представление о дискретных состояниях противоречит классической физике. Поэтому возник вопрос, не опровергает ли квантовая теория законы классической физики. Квантовая физика не отменила фундаментальных классических законов сохранения энергии, импульса, электрического разряда и т. д. Согласно сформулированному Н. Бором принципу соответствия, квантовая физика включает в себя законы классической физики, и при определенных условиях можно обнаружить плавный переход от квантовых представлений к классическим. Это можно видеть на примере энергетического спектра атома водорода (рис. 6.3.2). При больших квантовых числах n >> 1 дискретные уровни постепенно сближаются, и возникает плавный переход в область непрерывного спектра, характерного для классической физики.
Половинчатая, полуклассическая теория Бора явилась важным этапом в развитии квантовых представлений, введение которых в физику требовало кардинальной перестройки механики и электродинамики. Такая перестройка была осуществлена в 20-е – 30-е годы XX века.
Представление
Бора об определенных орбитах, по которым движутся электроны в атоме, оказалось
весьма условным. На самом деле движение электрона в атоме очень мало похоже на
движение планет или спутников. Физический смысл имеет только вероятность обнаружить
электрон в том или ином месте, описываемая квадратом модуля волновой функции |Ψ|2.
Волновая функция Ψ является решением основного уравнения квантовой механики
– уравнения Шредингера. Оказалось, что состояние электрона в атоме характеризуется
целым набором квантовых чисел. Главное квантовое число n определяет квантование
энергии атома. Для квантования момента импульса вводится так называемое орбитальное
квантовое число l. Проекция момента импульса на любое выделенное в пространстве
направление (например, направление вектора 
магнитного поля) также принимает дискретный ряд значений.
Для квантования проекции момента импульса вводится магнитное квантовое число m. Квантовые числа n, l, m связаны определенными
правилами квантования. Например, орбитальное квантовое число l может принимать
целочисленные значения от 0 до (n – 1). Магнитное квантовое число m
может принимать любые целочисленные значения в интервале ±l. Таким образом, каждому
значению главного квантового числа n, определяющему энергетическое состояние атома,
соответствует целый ряд комбинаций квантовых чисел l и m. Каждой такой комбинации
соответствует определенное распределение вероятности |Ψ|2 обнаружения электрона
в различных точках пространства («электронное облако»).
Состояния, в которых орбитальное квантовое число l = 0, описываются сферически симметричными распределениями вероятности. Они называются s-состояниями (1s, 2s, ..., ns, ...). При значениях l > 0 сферическая симметрия электронного облака нарушается. Состояния с l = 1 называются p-состояниями, с l = 2 – D-состояниями и т. д.
На рис. 3.4 изображены кривые
распределения вероятности ρ(r) = 4πr2|Ψ|2 обнаружения
электрона в атоме водорода на различных расстояниях от ядра в состояниях 1s и
2s.
Как видно из рис. 3.4, электрон в состоянии 1s (основное состояние атома водорода) может быть обнаружен на различных расстояниях от ядра. С наибольшей вероятностью его можно обнаружить на расстоянии, равном радиусу r1 первой боровской орбиты. Вероятность обнаружения электрона в состоянии 2s максимальна на расстоянии r = 4r1 от ядра. В обоих случаях атом водорода можно представить в виде сферически симметричного электронного облака, в центре которого находится ядро.