Современные представления о том, что физические и химические свойства веществ определяются электронным строением составляющих их атомов, сформировались за достаточно короткий для истории период – два-три первых десятилетия ХХ в. До этого в физике существовала резкая граница между веществом и полями (излучением). Движение частиц вещества (корпускул) описывалось законами классической механики Ньютона: частицы характеризуются определенными значениями массы покоя m, скорости v, импульса mv, кинетической энергии mv2/2, занимают в пространстве точно определённый объём. Излучение не имеет массы покоя, характеризуется непрерывно изменяющимися длиной волны l, частотой n и т. д., его движение подчиняется волновой механике (способность к дифракции, интерференции и т. п.).
Открытие Дж. Дж. Томсоном электрона (1897), Э. Резерфордом атомного ядра (1911) и гипотеза М. Планка о квантовом (т. е. дискретном) характере излучения (1900) вызвали пересмотр представлений о строении атомов, приведший к возникновению новой механики – квантовой, согласно которой не только излучения имеют квантовый характер (при определенных условиях проявляют свойства частиц), но и малые частицы могут проявлять свойства волны.
Дискретность излучения проявляется в том, что его энергия может принимать только определенные значения (уравнение Планка):
E = hn = hc/l (1)
где n – частота излучения; h = 6,63·10-34 Дж·с – постоянная Планка; c =3,00·108 м/с – скорость света; l – длина волны. Чем больше частота и меньше длина волны электромагнитного излучения (в частности, видимого света), тем больше его энергия.
Критерием проявления волновых свойств частиц может служить то, что любой движущейся частице можно приписать такие сугубо волновые характеристики, как длина волны и частота. Импульс и энергия частицы (корпускулярные свойства) связаны с волновыми свойствами уравнением де Бройля l = h/mv =h/(2mE)1/2, где m – масса частицы; v – ее скорость; Е – энергия. Чем меньше масса частицы, тем больше ее длина волны. Для макрочастиц (падающий кирпич, летящая пуля и т. п.) длина волны гораздо меньше их размеров. Нет нужды учитывать наличие у таких частиц волновых свойств (точнее, при таких массах и скоростях их просто нет; например, для пули l » 10-32 м). А вот для электрона в атоме (а химические реакции – это и есть движение электронов в веществе) величина l » 10-10 м, что гораздо больше размеров электрона, и без рассмотрения его волновых свойств невозможно понять строение атомов, молекул и протекание химических процессов.
Итак, и частицы, и излучение (волны) имеют двойственную природу, называемую корпускулярно-волновым дуализмом.