Название: Курс лекций по физике Ч.2 (Климовский А.Б.) Жанр: Заочно-вечерний Просмотров: 1455 |
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 108 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
– ядро атома гелия).
-частицы меняли направление движения.
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
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 1015 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 107 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 107 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).
λ n2 l 2
где
R 1,10 107 м1
– 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-
1 . λ 22 l 2
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
1 , l 2, 3,... λ 12 l 2
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 .
|
|