Атомная физика

Атомная физика

МОДЕЛЬ АТОМА, ПРЕДЛОЖЕННАЯ ТОМСОНОМ

• Первая модель строения атомов была предложена в 1897 г. Дж.Томсоном. Изучая катодные лучи, он экспериментально доказал, что они являются отрицательно заряженными частицами - электронами. Томсон предположил, что нейтральный атом состоит из положительного электрического заряда, равномерно распределенного по сферическому объему, и включенных в него, как изюм в кекс, отрицательно заряженных электронов.

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА

• Экспериментальная проверка модели Томсона была осуществлена в 1906 г. английским физиком Э.Резерфордом.
• Резерфорд использовал для этой цели поток быстрых положительно заряженных α-частиц, испускаемых некоторыми радиоактивными веществами (например полонием). Эти частицы имеют заряд +2е, массу 8000 т е и большую скорость (20 000 км/с, или 1/15 скорости света).
• Источник α-частиц помещался внутри свинцовой полости с узким каналом, так что все α-частицы, кроме тех, которые поглощались свинцом, двигались по нему.

Бомбардируя таким пучком тонкую золотую фольгу, Резерфорд обнаружил, что:

• одна часть частиц отклоняется от первоначального направления;
• другая часть не испытывает никаких отклонений;
• третья часть отражается от фольги назад.

Прошедшие через фольгу или отразившиеся от нее α-частицы вызывали вспышки на экране. Вся установка находилась в вакууме и позволяла наблюдать α-частицы, рассеянные под углами до 150°.

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

Обобщая результаты опытов, Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома в виде миниатюрной Солнечной системы. Согласно этой модели:

• в центре атома находится положительное ядро;
• в атомном ядре сосредоточены весь положительный заряд и почти вся масса атома (99,4%);
• размеры ядра (10~ 15 м) малы по сравнению с размерами атома (10- 10 м);
• вокруг массивного ядра по замкнутым орбитам движутся легкие электроны, общий отрицательный заряд которых равен положительному заряду ядра.

Используя эту модель, можно объяснить результаты опытов Резерфорда:

• первая часть частиц (которая отклонялась) пролетала недалеко от ядра;
• вторая часть частиц (которая не испытывала отклонений) пролетала далеко от ядра;
• третья часть частиц (которая отражалась) попадала точно в ядро.

НЕСООТВЕТСТВИЕ ПЛАНЕТАРНОЙ МОДЕЛИ ЗАКОНАМ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Ядерная модель атома оказалась противоречащей законам классической механики и электродинамики.

• Движение электрона по орбите , как и всякое криволинейное движение, есть движение с ускорением . Согласно законам классической электродинамики всякое ускоренное движение заряда должно сопровождаться излучением электромагнитных волн. Следовательно, ускоренный электрон должен непрерывно излучать энергию . Но уменьшение энергии приводит к уменьшению радиуса орбиты - электрон двигаться по спирали, непрерывно приближаясь к ядру, и в конце концов должен упасть на него. Итак, получается, что атом неустойчив.
• По законам классической электродинамики, электрон, приближаясь к ядру, должен двигаться все быстрее, излучая все более короткие электромагнитные волны, поэтому спектр излучения атома должен быть сплошным. На самом деле он линейчатый.

ПОСТУЛАТЫ БОРА

Для выхода из противоречий можно было бы считать, что либо:

• предложенная Резерфордом ядерная модель атома не соответствует действительности;
• законы классической физики имеют ограниченную область действия.

Однако все новые опыты подтверждали правильность ядерной мо­дели атома, поэтому ученым пришлось признать ограниченность применения законов классической физики.

Первым решился на это признание выдающийся физик XX в. датский ученый Нильс Бор. В 1913 г. он, основываясь на разрозненных экспериментальных фактах, с помощью гениальной интуиции сформулировал в виде постулатов основные положения новой теории.

• I постулат. Атомная система может находиться только в особых, стационарных (или квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. При движении по этим стационарным орбитам электроны, несмотря на то, что они движутся ускоренно, не излучают электромагнитные волны.

I постулат Бора - это отказ от выводов классической электродинамики о том, что ускоренно движущийся заряд всегда излучает электро­магнитные волны.

Е п , происходит излучение фотона, а если E k п - по­глощение фотона. " width="640"

• II постулат . При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон.
• Атом излучает один квант электромагнитной энергии при переходе электрона с более удаленной стационарной орбиты на менее удаленную.
• Атом поглощает один квант электромагнитной энергии при переходе электрона с менее удаленной орбиты на более удаленную.

Энергия кванта равна разности энергий в двух его стационарных состояниях:

где k и п - номера стационарных состояний, или главные квантовые числа.

Если E k Е п , происходит излучение фотона, а если E k п - по­глощение фотона.

Группу спектральных линий с одинаковыми значениями п называют серией спектральных линий.

• При п = 1 получается серия линий, расположенных в ультрафиолето­вой части спектра (серия Лаймана).
• При п = 2 наблюдается серия Бальмера, расположенная в видимой части спектра.
• При п = 3 наблюдается серия Пашена, расположенная в инфракрасной части спектра. Подобные серии существуют и для последующих значений п.

ЗНАЧЕНИЕ И НЕДОСТАТКИ ТЕОРИИ БОРА

• Хорошо описывался спектр атома водорода;
• удалось объяснить поведение атома в магнитном поле;
• в целом теория не смогла описать атом гелия и атомы других веществ;
• теория показала необходимость отказа от классических представлений при объяснении явлений в микромире. В частности, представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось условным. На самом деле, с точки зрения квантовой тео­рии, движение электрона в атоме не имеет ничего общего с движением планет.