Мы уже знаем, что в атоме водорода электрон может находиться только на определенных расстояниях от ядра. Эти расстояния определяют уровни энергии электрона внутри атома согласно уравнению (46.8). Возникает вопрос, какова форма орбит электрона? Резерфорд считал их плоскими окружностями, как у планет солнечной системы (планетарная модель атома). С этим вряд ли можно согласиться. Планета удерживается возле Солнца полем гравитации, а электрон – кулоновским полем. Эти поля разные и действуют они по-разному. Для планет не имеет значение вращение Солнца. В нашем случае вращением ядра пренебрегать нельзя. Протон заряжен, а при вращении заряженной частицы возникает циркуляция тока, которая создаёт поток поля. Это поле аналогично полю рамки Фарадея с током B = I S, где B – магнитная индукция. Очевидно, поток поля ядра должен, по правилу Лоренца, влиять на траекторию вращения электрона. Рассмотрим подробнее.

Мысленно охватим протон сферой радиуса r. На сфере обозначим экватор и нулевой меридиан. Точка их пересечения имеет нулевую долготу. Для простоты предположим, что электрон начинает вращение вокруг ядра из нулевой точки вдоль нулевого меридиана к северному полюсу сферы. Без учета силы Лоренца электрон должен прокатиться по меридиану и вернуться в нулевую точку. Но поток поля ядра влияет на движение электрона. Структура потока, как уже говорилось, приблизительно совпадает с полем витка с током, осью которого является ось вращения протона. Из магнитной теории следует, что магнитная индукция поля протона приблизительно описывается уравнением B = 2P_m/r³ (52.1), где P_m – магнитный момент ядра: P_m = eћ/2m_p (52.2), где m_p – масса протона. Решение уравнения (52.1) является непростой задачей. К счастью, нам это не требуется. Считается, что магнитное поле действует перпендикулярно скорости электрона (сила Лоренца). Вовторых, сила Лоренца невелика, так как масса протона почти в 2000 раз больше массы электрона, а это значит, что индукция поля ядра мала. Так как сила Лоренца не влияет на величину скорости электрона, радиус r не изменится, хотя орбита электрона уже не будет простой окружностью.

Допустим, скорость электрона в начальный момент направлена вдоль меридиана. Сила Лоренца, согласно правилу правой руки, действует на электрон перпендикулярно его скорости. Поэтому электрон сойдёт с нулевого меридиана, пролетит мимо северного полюса, затем, повернув на юг, пролетит мимо южного полюса, направится на север и пересечёт экватор уже на некотором расстоянии λ от нулевой точки. Заметим, в этот момент скорость электрона уже не перпендикулярна экватору, а составляет с ним угол α. Таким образом, первый виток траектории электрона получился незамкнутым: он больше похож на виток спирали с шагом λ. После второго витка электрон пересечет экватор уже на расстоянии 2 λ от нулевой точки, а угол α станет ещё меньше. Через n витков электрон пересечет экватор в точке с долготой, равной n λ/r (рад). При некотором n = n₁ угол α будет равен нулю. В этот момент скорость электрона направлена по касательной к экватору. Легко понять, что α = 0, когда n₁ λ/r = π/2. Далее, наступит момент, когда при n = n₂, n₂λ/r = π, а угол α = – π/2. При n = n₃, когда n₃ λ/r = 3π/2, угол α снова равен нулю. Наконец, при n = n₄, когда n₄ λ/r = 2π, угол α опять равен π/2, как в начале движения. Если в этот момент электрон попадёт в нулевую точку, в дальнейшем его движение повторится. Очевидно, такая траектория будет стабильна. Следовательно, условие стабильности можно записать в виде: n λ = 2πr (52.3).

Перепишем (52.3) в виде: r = n λ/2π (52.4). Так как n – целое число, из уравнения (52.4) следует, что радиусы r (а значит, и уровни энергии электрона), должны быть кратными определённой величине. Таким образом, из условия стационарности (52.4) орбиты электрона вытекает линейчатость спектра атома водорода, которая была открыта опытным путем. Величина λ пропорциональна, очевидно, магнитной индукции B поля ядра на расстоянии r и обратно пропорциональна скорости электрона v = ωr. Это можно записать в виде уравнения: λ = k В/ωr (52.5), где k – некоторый коэффициент. Подставляя (52.1) в (52.5), получаем (с учётом 52.2): λ = keћ/m_pωr⁴ (52.6). Решая уравнения (52.6), можно вычислить значения λ для разных орбит.

Нам удалось выяснить, что орбита электрона в атоме водорода не является плоской окружностью. Так и должно быть, поскольку мы живем в трехмерном мире и даже такой микрообъект, как атом водорода, должен занимать какой-то объем. Орбита электрона в атоме водорода скорее напоминает нить, намотанную, как клубок, на поверхность воображаемой сферы, причем конец нити совпадает с её началом. Назовем эту воображаемую геометрическую фигуру «сфераль». Если бы электрон оставлял след, то, двигаясь по сферали, он за долю наносекунды «заштриховал» бы вокруг ядра сферу радиуса r. Человек, не различающий промежутки времени меньше 0.01 с, должен воспринимать эту траекторию как сплошную поверхность, поскольку электрон успевает побывать во всех её точках меньше, чем за один миг. Можно сказать, электрон на стационарной орбите создаёт сплошную оболочку. Если электрон поглощает или излучает фотон, радиус электронной оболочки меняется, принимая одно из разрешенных значений (47.4).

Курс элементарной физики принято заканчивать атомом водорода, хотя во Вселенной существуют гелий, литий и другие атомы. Рассмотрим коротко устройство атома гелия, который по-своему интересен. Известно, что ядро гелия содержит два протона и два нейтрона. Физики называют его α-частицей. Атом гелия должен содержать два электрона, чтобы компенсировать двойной положительный заряд ядра. Гелий образуется примерно так. Сначала в результате каких-то ядерных реакций возникает свободная α-частица. Попав в облако электронов, α-частица захватывает электрон, который начинает вращаться вокруг неё по сферали, разрешённой для атома гелия. При этом образуется ион гелия, состоящий из ядра и одного электрона. Это напоминает атом водорода, но с другими уровнями энергии для электрона. Такое водородоподобное состояние длится недолго. Вскоре ион гелия захватывает второй электрон, чтобы стать нейтральным атомом. Возникает вопрос, на какой сферали будет находиться второй электрон, ведь первая уже как бы занята?

Спектральные измерения показали, что атом гелия имеет водородоподобный спектр. Это вызвало недоверие у теоретиков, поскольку два электрона не могут находиться на одной орбите. Действительно, применение более точных спектрометров выявило, что линии гелия являются дублетными (двойными) – при оптическом увеличении они расщепляются на две. Это означает, что электроны в атоме гелия вращаются на разных орбитах, хотя и очень близких по радиусу. Как такое могло случиться? Ответ подсказывает «магнитная» теория. Электрон, как и протон, тоже вращается вокруг своей оси. Это вращение создает для него собственный «магнитный» момент, который взаимодействует с полем ядра. Так на фоне относительно сильного кулоновского притяжения возникает более слабое магнитное взаимодействие электрона и ядра. Магниты могут притягиваться или отталкиваться. Предположим, электрон вращается вокруг своей оси так, что его магнитное поле отталкивается от поля ядра. Значит, радиус орбиты электрона станет немного больше. Такой электрон создаёт оболочку с несколько большим радиусом, чем следует из теории Бора. Очевидно, α-частица может захватить второй электрон, если его вращение противоположно вращению первого электрона. Тогда его магнитное поле будет притягиваться к ядру. Радиус второго электрона будет немного меньше, чем следует из теории Бора. У атома гелия образуется двухслойная электронная оболочка с небольшим зазором между слоями. Этот зазор определяет ширину расщепления линий гелия в спектре. Благодаря яркой дублетной линии в видимой части спектра гелий был сначала обнаружен в спектре Солнца и только потом, как вещество, на Земле. Этим гелий и интересен.

Из квантовой теории следует вывод, что линии водорода тоже должны быть дублетными, поскольку протону при захвате электрона безразлично направление вращения последнего. Поэтому в любой порции водорода присутствуют атомы, где ядро и электрон вращаются в одну сторону, и атомы, где они вращаются в разные стороны. При наложении спектров этих атомов их линии попадают на близкие, но разные участки. Для выявления такого расщепления требуются чувствительные спектрометры.

Из курса химии известно, что за гелием следует атом лития, который в нейтральном состоянии содержит три электрона. Два из них, имеющие противоположные магнитные моменты, образуют внутреннюю двойную оболочку, как у гелия. Для третьего электрона здесь места уже нет. Поэтому третий электрон занимает место на внешней сферали, образуя наружную сферическую оболочку. Эта структура, похожая на атом водорода, должна иметь водородоподобный спектр. Так как связь внешнего электрона с ядром ослаблена, линии спектра лития должны быть смещены в инфракрасную область.

С увеличением порядкового номера атомов вещества возрастает его плотность. В плотном (сконденсированном) состоянии внешние оболочки атомов начинают влиять друг на друга так, что меняется их форма. Так в атоме углерода (порядковый номер 6) четыре внешних электрона образуют не сферические, а веретенообразные оболочки. Это как если взять слабо надутый воздушный шар и растянуть его вдоль диаметра. Характеристикой такой оболочки является длинная ось. Атом углерода интересен тем, что длинные оси четырех оболочек внешних электронов располагаются в пространстве симметрично вдоль воображаемых диагоналей куба. Этим объясняется твердость алмаза, так как куб раздавить нелегко.