Атомы - мельчайшие (но не элементарные) строительные блоки материи, способные излучать свет и другие виды электромагнитного излучения. Знание о природе и характере их излучения играет ключевую роль в понимании ряда явлений, таких как свечение звезд, работа лазеров и даже цвет огня.
Электромагнитная теория, разработанная учеными XVIII и XIX века, была расширена и представлена в виде системы уравнений Максвелла. Данная система объединила электрические и магнитные поля в единое понятие электромагнитного поля. Согласно этой теории, ускоренный заряд, такой как электрон, движущийся с ускорением, создает переменное электромагнитное поле, которое распространяется в виде волн. Эти волны мы и воспринимаем как излучение.
Атом Томсона и II закон Ньютона
В 1904 году Джозеф Джон Томсон предложил модель атома, известную как «пудинг с изюмом». Согласно этой модели, атом представляет собой положительно заряженную сферу, в которой, как «изюм», были вкраплены электроны. Томсон предположил, что электроны в такой модели могут колебаться, создавая электромагнитное излучение.
Данная модель может показаться наивной, однако с её помощью было обосновано и предсказано множество эффектов, например классический эффект Зеемана. Удобность атома Томсона как физической модели заключается в том, что к электрону, который как бы колеблются на невидимых пружинах, закрепленных к ядру, можно применить формализм Ньютона, а именно II закон Ньютона.
При смещении электрона на расстояние r от положения равновесия на него начнет действовать сила упругости. В таком случае электрон "на пружине" будет двигаться по следующему закону:
Важно оговориться, что для простоты на данном этапе мы отбросили из рассмотрения другие силы, которые действуют на электрон, и остановились исключительно на силе упругости.
Из рисунка выше видно, что мы получили линейное дифференциальное уравнение 2-го порядка относительно смещения r. Решением такого уравнения являются тригонометрические функции, а именно синусы и косинусы. Это значит, что электрон будет совершать гармонические колебания, схожие с колебаниями грузика на пружинке. Причем при таком движении он будет двигаться с ускорениям, а значит, согласно теории электромагнетизма будет излучать электромагнитные волны.
Диаграмма направленности и спектр излучения
Далее проделав несколько приближений и расчетов, можно получить диаграмму направленности излучения от такого ускоренно-движущегося электрона в атоме Томсона.
По диаграмме направленности видно, что максимум излучения приходится на перпендикульрное направление к движению электрона, в то время как на оси его движения излучения нет.
Важно отметить, что такая модель противоречит закону сохранения энергии. Если атом излучает, то энергия от него распространяется в пространстве. Сам же колеблющийся электрон должен терять энергию, так что, на самом деле, коле- бания имеют затухающий характер. Так, при учете радиационного затухания спектр излучения атома Томсона будет представлять Лоренцев контур. То есть атом Томсона будет испускает электромагнитные волны с конечным по ширине спектром частот.
Проблема такого результата состоит в следующем: в отсутствие четко определенных энергетических уровней, как в более поздних моделях Бора или квантовой механике, модель Томсона предсказывала непрерывный спектр излучения (собственно, представленный выше Лоренцев контур), что не соответствовало экспериментальным результатам.
Заключение
Классическое представление излучения атомов, основанное на электромагнитной теории и ранних моделях атома, сыграло важную роль в развитии физики. Оно выявило проблемы, которые стимулировали развитие новой, квантовой теории.
Классические модели дали базу для понимания, но именно переход к квантовой механике позволил более точно и полно описать процессы излучения и стабильность атомов, открыв новую эру в физике и технологиях.