Как известно, модель Бора является развитием планетарной модели Резерфорда, согласно которой электроны (по аналогии с небесной механикой) движутся вокруг ядра атома по классическим траекториям (электронные орбиты). Однако дальнейшее развитие квантовой механики привело к отказу от понятия электронной орбиты. Электрону как квантовому объекту не присуще понятие классической траектории. С этого момента модель Резерфорда–Бора приобрела ярко выраженный паллиативный характер, представляя атом как классическую составную систему, части которой не описываются законами классической физики. Гейзенберг пишет: «. . .представление об электронной орбите, связанное с идеей дискретного стационарного состояния, было по ходу дела практически отброшено. Понятие дискретных стационарных состояний, однако, осталось жить. Понятие это было необходимо. Оно имело свою основу в данных наблюдений. Наоборот, электронную орбиту не удалось согласовать с наблюдениями, поэтому от неё отказались, и от неё остались только матрицы для координат» [1, c. 97].
Дискретные стационарные состояния, соответствующие собственным значениям оператора энергии, - вот, что осталось от электронных орбит планетарной модели.
Критикуя модель Бора, практически о том же говорит де Бройль: «. . . Вся эта динамическая картина, которая вначале была введена, все эти точечные электроны, описывающие некоторые траектории, в каждой точке которых они обладают вполне определёнными значениями координат и скорости, оказались нужны лишь для вычисления энергии стационарных состояний и соответствующих спектральных термов. Причём только они могут быть сравнены с экспериментальными данными, полученными из спектроскопических измерений и опытов по ударной ионизации. Не попытаться ли представить себе, что это описание, слишком подробное и искусственное, эти формы орбит и значения координат и скоростей электронов не соответствуют никакой физической реальности и только энергия стационарных состояний, которую в конце концов даёт нам вся эта квантовая небесная механика, имеет реальный физический смысл?» [2, c. 128].
Однако понятие электронной орбиты оказалось крайне живучим, трансформируясь в понятие атомной орбитали, т.е. в представление о том, что электрон в атоме имеет форму некоего электронного облака, различные формы которого в зависимости от квантовых чисел n, l, m представлены на Рис.1.
Здесь следует отметить важный момент: все атомные орбитали описываются тремя квантовыми числами n, l, m, четвёртое квантовое число s (спин) в выражении атомных орбиталей не участвует.
Что касается реального существования атомных орбиталей, то говорить об их реальном существовании нет смысла. Это математическая абстракция (волновая функция), вопрос принципиально закрыт со времен Гейзенберга.
Однако в 1999 г. появляется статья [3] в престижном журнале "Nature", в которой говорилось о якобы экспериментально наблюдаемых атомных орбиталях. Возникла полемика [4,5], в результате которой выяснилось, что авторы "открытия" на самом деле видели электронную плотность, а не атомные орбитали. Scerri отмечает: "Позвольте мне теперь обратиться к теоретическому статусу и ограничениям орбиталей, а также к тому, почему орбитали невозможно наблюдать. Атомные орбитали - это математические конструкции и, строго говоря, являются подлинными волновыми функциями только в одноэлектронных системах, таких как атом водорода. В многоэлектронных атомах орбитали служат полезным приближением, используемым, например, в процессе Aufbau для приблизительного объяснения особенностей периодической системы. Атомные орбитали также служат средством классификации спектроскопических переходов при изучении атомных спектров. Орбитальное приближение лежит в основе значительной части работ, проводимых в области квантовой химии, но здесь признается, что орбитали являются математическими конструкциями и не обладают каким-либо независимым физическим статусом." [4]. И далее: "Что можно наблюдать и часто наблюдается в экспериментах, так это плотность электронов. На самом деле, наблюдение плотности электронов является важной областью исследований, по которой было написано несколько монографий и обзорных статей. Однако изучение этой литературы показывает, что исследователи последовательно обсуждают наблюдение электронной плотности, но не орбиталей. .... Атомные орбитали не следует отождествлять с электронной плотностью, поскольку это может привести только к дальнейшей путанице в таких областях, как вычислительная химия" [4]. Авторы [3] далее соглашаются с Scerri: "В недавней заметке [4] Э. Шерри правильно указывает, что атомные орбитали непосредственно не наблюдаемы, вопреки утверждению , которое, по его мнению, мы делаем в тексте нашей недавней статьи [3]. Фактически, в нашей статье описывается новый метод отображения плотности заряда в кристаллах, свободный от обычных ошибок затухания, которые так затрудняют наблюдение деталей из- за образования химических связей. .... Мы полностью согласны с Шерри в том, что орбитальные волновые функции ненаблюдаемы и что все неразличимые электроны в кристалле определяют единое квантовое состояние" [5].
Вопрос, как говорится, исчерпан.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гейзенберг В. Шаги за горизонт. М. : Прогресс, 1987.
2. де Бройль Л. Избранные научные труды. Т. 2. Квантовая механика и теория света: работы 1934–1951 годов. М.: МГУП, 2011. 618 c.
3. Zuo, J. M.; Kim, M.; O’Keeffe, M.; Spence, J. C. H. Nature 1999, 401, 49–52.
4. Scerri, E. R. J. Chem. Educ. 2000, 77, 1492.
5. Spence, J. C. H.; O’Keeffe, M.; Zuo, J. M. J. Chem. Educ. 2001, 78, 877.