Моделі атома
Вирішальним моментом у розвитку теорії будови атома було відкриття електрона. Наявність в електрично нейтральному атомі негативно зарядженої частки спонукало припускати наявність частки з позитивним зарядом. Модель Д. Томсона, не в змозі пояснити характер атомних спектрів, випромінюваних атомами, поступилася місцем планетарної моделі Е. Резерфорда. Досліджуючи розсіювання атомами речовини альфа-частинок, випромінюваних радіоактивними речовинами, він відкрив атомне ядро та побудував планетарну модель атома. Виявилося, що атом складається не з позитивно зарядженої хмари, в якій (подібно до родзинок у булці) знаходяться електрони, як це припускав Д. Томсон, а з електрона і ядра розміром близько 10-13 см., в якому зосереджена майже вся маса атома. Атом подібний до Сонячної системи: в центрі нього знаходиться важке ядро, навколо нього обертаються електрони. Однак, згідно з електродинамікою Максвелла, такий атом не може бути стійким: рухаючись по кругових (або еліптичних) орбітах, електрон відчуває прискорення, а тому він повинен випромінювати електромагнітні хвилі, що несуть енергію. Втрата енергії призведе до падіння електрон на ядро. Таким чином, подібний атом не може бути стійким, а тому насправді не може існувати. Отже, класична фізика було знайти пояснення стійкості атомів.
Розробка наступної моделі атома належить Н. Бору. Взявши за основу модель Резерфорда, він використав ідеї квантової теорії. Бор висунув припущення, згідно з яким в атомах існують спеціальні стаціонарні стани, в яких електрони не випромінюють - випромінювання відбувається лише при переході з одного стаціонарного стану в інший.
Внутрішню будову атома вивчати безпосередньо неможливо, оскільки мікроскопічні розміри недоступніпрямому сприйняттю, тому про структуру атома можна судити з її непрямих проявів макроскопічного масштабу. Таким проявом є випромінювання атомів під впливом нагрівання чи зовнішнього електричного поля. Вивчення спектрів випромінювання дозволяє отримати дані про внутрішню структуру атома – для кожного атома характерні особливості спектра. Класична фізика було пояснити закони, яким підпорядковувалися атомні спектри. Модель Бора виявила справжнє значення спектральних законів і дозволила встановити, як ці закони відбивають квантовий характер внутрішньої структури атома - стійкість структури атома виявилася нерозривно пов'язані з існуванням квантів. У моделі Бора кожен атом має деяку послідовність квантових (стаціонарних) станів. Кожен вид атома має свою послідовність квантових значень енергії, що відповідають різним можливим стаціонарним станам. Висновок про те, що у стійкому стані атом не повинен випромінювати, не відповідав даним класичної електродинаміки, згідно з якими електрони, що рухаються з прискоренням, повинні безперервно випромінювати електромагнітні хвилі. Бор і припустив, кожна спектральна лінія відповідає миттєвому переходу атома з квантового стану до іншого, яке характеризується меншим значенням енергії. Надлишок енергії при цьому виноситься у вигляді окремих квантів (фотонів).
Модель атома Бора показала свою плідність щодо атома водню, дозволивши зрозуміти структуру оптичного спектра. Але спроба застосувати цю модель до складніших атомів, мають більше електронів, виявила обмеженість цієї моделі - результати її застосування лише приблизно відповідали даним експерименту. Крім того, модель атома Бора мала методквантування дії лише для одновимірного руху (пропонованого ще Планком). Тому потрібно було знайти методи квантування для випадків багатовимірного руху. Цей метод було знайдено в 1916 р. Ч. Вільсоном та А. Зоммерфельдом (майже одночасно один з одним) та використано для вирішення тих завдань, які не могли бути вирішені за допомогою моделі атома Бора. Таким шляхом було створено концепцію тонкої структури лінії спектру. Випромінювання ліній спектру водню за допомогою спектрографів з високою роздільною здатністю дозволило виявити тонку структуру спектра - виявилося, що спектральні лінії самі складаються з ряду близьких один до одного ліній. Зоммерфельд висловив припущення про зв'язок тонкої структури спектральних ліній з релятивістськими ефектами і замість замість рівнянь ньютонівської механіки використати рівняння релятивістської механіки. Припущення Зоммерфельда дали результати, що узгоджуються з експериментальними даними. Разом з тим отримана Зоммерфельдом картина спектральних ліній виявилася значно біднішою за реальну, тому його модель не могла дати достатньо повних пояснення тонкої структури спектральних ліній.
Для моделі атома Бора основним є твердження у тому, що електрони всередині атома можуть бути лише у стаціонарних станах, які відповідають певним квантовим значенням енергії. Отже, існують певні енергетичні рівні, де знаходяться електрони. Як відомо, атом кожного наступного елемента має один електрон більше, ніж попереднього. Отже, у міру зростання атомного номера ускладнюється структура електронних оболонок атомів. На основі знання цієї структури можна встановлювати фізичні та хімічні властивості елементів. У періодичній системі Д. І. Менделєєва елементирозташовані в порядку зростали атомної ваги, причому у розташованих таким чином елементах виявляється певна періодичність у хімічних властивостях цих елементів. Фізична природа цієї періодичності виявляється дуже складною. Теорія атома повинна мати можливість пояснити цю природу. Для цього модель Бора необхідно було доповнити вимогою, щоб на одному енергетичному рівні могло бути лише обмежена кількість електронів (явище насичення енергетичного рівня електронами). Якби цього насичення немає, то нормальному (стабільному) стані атома все електрони атома були на нижчому рівні, що відповідає найменшої енергії. Але внаслідок насичення рівнів подібна ситуація виявляється неможливою.
Рухаючись за періодичною системою елементів, можна побачити, як поступово заповнюються один за одним нижчі енергетичні рівні - щойно нижчий рівень виявляється заповненим, настає черга наступного рівня. Тонка структура спектральних ліній при цьому свідчить про розщеплення енергетичних рівнів електронів усередині атома на ряд підрівнів. Заповнюють ці рівні підрівні електрони (що мають майже однакову енергію) утворюють оболонку. При заповненні один за одним наступних рівнів утворюються різні оболонки. Змінювана під час руху по таблиці Менделєєва періодичність властивостей пояснюється характером заповнення оболонок електронами. Отже, дослідження спектрів грає величезну роль вивчення внутрішньої структури атома.
Модель Бора, дозволяючи визначити частоту випромінювання, не давала можливості визначати інтенсивність випромінювання та його поляризацію, що абсолютно необхідно для уточнення природи випромінювання, яке виникає при переходах електронів усередині атома зодного стаціонарного стану до іншого. Бор цей недолік намагався усунути з допомогою принципу відповідності. Крім того, модель Бора була непослідовною: відкидаючи ряд положень класичної механіки та електродинаміки, вона використовувала як класичні поняття та формули, так і квантові. Бор розумів обмежений характер своєї моделі атома. Принцип відповідності вказував на один із нових напрямків. Проте згодом, зі створенням квантової механіки, було з'ясовано, що з описі будови атома класичні уявлення що неспроможні мати місця.