Название: Курс лекций по физике Ч.2 (Климовский А.Б.)

Жанр: Заочно-вечерний

Просмотров: 1420


Тема: модели атома

 

Вопросы:

1.   Модели атома Томсона и Резерфорда.

2.   Линейчатые спектры излучения водорода. Формула Бальмера.

3.   Теория Бора. Постулаты.

4.   Энергетический спектр атома в теории Бора.

5.   Экспериментальное подтверждение теории Бора.

6.   Спектр излучения атомов. Опыт Франка и Герца.

7.   Значение и недостатки теории Бора.

 

К началу ХХ века представление об атомарном строении вещества принималось большинством ученых. После открытия в 1898 году электрона, атом стали представлять имеющим внутреннюю структуру, элементом которой считали электрон.

В 1902 году Кельвин предположил, что атом представляет собой некоторую по- ложительно заряженную область, а в ней маленькие отрицательные электроны. Модель атома была уточнена Дж. Дж. Томсоном, который, сохранив гипотезу Кельвина о рав- номерном распределении положительного заряда, предположил, что электроны в атоме движутся. В  модели атома Томсона был оценен размер атомов, который оказался по- рядка 108 м . В течение 10-ти лет теория Томсона пользовалась всеобщим признани- ем, и на ее основе был объяснен ряд явлений. В дальнейшем выяснилась несостоятель- ность этой модели, и в настоящее время она представляет лишь исторический интерес, как одно из звеньев в цепи развития представлений о строении атомов.

Распределение положительных и отрицательных зарядов в атоме можно выяснить экспериментально, произведя зондирование внутренних областей атома. Такое зонди- рование предложил провести Эрнест Резерфорд (E. Rutherford, 1871–1937) с помощью открытых  им  -частиц, наблюдая рассеяние  частиц при прохождении через тонкие слои вещества.

В 1910-11 годах в лаборатории Резерфорда были проведены эксперименты по

2

 
рассеянию -частиц  (-частица  4Не

 

– ядро атома гелия).

В экспериментах Резерфорда узкий пу- чок ускоренных -частиц налетал на тонкую фольгу из золота. При прохождении через нее

-частицы   меняли   направление   движения.

a

 
Рассеянные -частицы ударялись об экран Э ,                                                                 Э

покрытый  серебристым  цинком  и,  вызывае-

мые ими свечения (сцинтилляции) наблюда- лись в микроскоп. Микроскоп и экран можно было установить под любым углом к оси, проходящей через центр фольги.

Если модель Томсона была бы справед- лива, то частицы двигались бы почти пря-

молинейно, они не должны были отклоняться на большие углы. Результаты экспери-

ментов противоречили этим предсказаниям. Были обнаружены -частицы, которые от- клоняются на большие углы, близкие к 180 . Такое могло происходить только, если - частицы испытывали отталкивание от массивного положительного объекта, сосредото- ченного в малой области пространства. Основываясь на полученном из опытов выводе, Резерфорд в 1911 году предложил я д е р н у ю  м о д е л ь  а т о м а , согласно которой весь положительный заряд атома так же, как и вся масса атома,  сосредоточен в малой

 

области  атома,  которая  получила  название  я д р а  (по  аналогии  с  ядром  клетки  в биологии).

Используя созданную им ядерную модель атома, Резерфорд рассчитал углы рас- сеивания -частиц, которые оказались в полном согласии с экспериментом.

Размеры ядра, полученные из теории рассеяния Резерфорда, оказались порядка

1015 м .

Электроны, находящиеся в атоме, являясь значительно более легкими частицами

(в  7300

раз легче -частиц), не могли существенно повлиять на движение -частиц.

Поэтому про положение электронов в атоме эксперименты Резерфорда не могли дать

никакой информации. И Резерфорд предположил, что электроны вращаются по неко- торым орбитам вокруг ядра. Модель Резерфорда получила название   п л а н е т а р- н о й  м о д е л и  а т о м а .

Планетарная модель атома Резерфорда явилась значительным шагом на пути к современному представлению о строении атома. Однако она не была совершенной. Эта модель обладает рядом недостатков, которые связаны с тем, что поскольку электроны в соответствии с планетарной моделью должны  вращаться по окружностям, то есть двигаться с ускорением, то по представлениям классической теории электромагнетиз- ма, как все движущиеся с ускорением заряды, они должны излучать энергию.

Таким образом, в результате излучения, во-первых, электроны должны те- рять энергию. И, в конечном счете, электроны должны потерять всю свою энергию и упасть на ядро (за счет уменьшения энергии и радиуса орбиты). Время падения элек-

 

тронов на ядро должно составлять по оценкам

107 с . Во-вторых, атомы должны

иметь непрерывный спектр излучения, с длинами волн от 0 до .

 

С первым недостатком все понятно, если бы модель Резерфорда соответствовала

действительности, то через 107 с

существование.

 

после возникновения Вселенная прекратила бы свое

 

Посмотрим, как обстоит дело со спектром излучения атомов. Мы уже рассматри- вали тепловое излучение твердых тел, которое обладает непрерывным спектром, что связано с колебаниями атомов и молекул, обусловленными их взаимодействием. Дру- гая ситуация для атомов, которые не взаимодействуют.

Для исследования излучения отдельных атомов используют разреженный газ. После пропускания электрического разряда через газ (для возбуждения атомов) газ на- чинал светиться. При этом излучение практически невзаимодействующих атомов раз- реженного газа оказалось состоящим из отдельных спектральных линий, каждая из ко- торых соответствовала излучению электромагнитной волны с определенной длиной волны.

Таким образом, как показал эксперимент, излучение атомов имеет не непрерыв- ный, а л и н е й ч а т ы й  с п е к т р . Для каждого вещества характерен свой спектр (на- бор длин волн).

Для водорода, имеющего самый простой спектр (представлен на рисунке), было подобрано точное выражение, описывающее длины волн в спектре излучения, назы- ваемое о б о б щ е н н о й  ф о р м у л о й  Б а л ь м е р а  (J. Balmer, 1825–1898)

 

ç

 
1  R 1

 

÷

 
 1  ,

λ           n2

l 2 

 

где

 

R  1,10 107 м1

 

– постоянная Ридберга (J. Rydberg, 1854–1919),

 

n, l

 

– целые

числа, где l  m .

Первоначально, в 1885 году, Бальмер установил для четырех линий в видимой об-

Подпись: 6562,9ÅПодпись: 4861,3ÅПодпись: 4340,5ÅПодпись: 4101,7Åласти спектра закон

ç

 
1  R 1

 1  .

λ           22

l 2 

÷

 
Эти  линии  сейчас  относят  к  серии

Бальмера ( n  2 , l  3, 4,...). Первые че-

тыре линии ( H α , Hβ , H γ , H δ ) соответст-

вуют

l  3, 4, 5, 6 .   Впоследствии   было

обнаружено, что серия Бальмера продол- жается в ультрафиолетовой области при больших l .

 

 

H      H      H      H 

Выполненные позднее исследования спектра атомарного водорода показали, что в

ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра имеются другие серии линий, ана- логичные серии Бальмера. Например, серия Лаймана (T. Lyman, 1874–1954) содержит линии с длинами волн в ультрафиолетовой области, описываемые законом

ç

 
1  R 1

 1  , l  2, 3,...

λ           12

l 2 

÷

 
Серия Пашена (F. Paschen, 1865–1947) – в инфракрасной области

ç

 
1  R 1

1 

-

 

 

, l  4, 5,...

λ           32

l 2 

 

Модель Резерфорда оказалась не в состоянии объяснить линейчатые спектры ато- мов, так же, как и устойчивость атомов. Выход был предложен в 1913 году Н. Бором, который работал несколько месяцев в лаборатории Резерфорда и был убежденным сто- ронником планетарной модели атома. Для устранения недостатков Бор посчитал необ- ходимым использовать представления начинавшей создаваться в то время квантовой теории. Следуя за Планком и Эйнштейном, Бор предположил, что электроны в атомах также не могут терять энергию непрерывно, и построил, исходя из этого предполо- жения, атомную теорию, названную  т е о р и е й  Б о р а .