1. Квантовый характер излучения и поглощения энергии атомом. Уравнение Планка. Постулаты Бора.

К моменту создания планетарной модели атома были получены экспериментальные сведения о структуре атома. Установлено, что прохождение немонохроматического электромагнитного излучения (например, света) через вещество сопровождается поглощением веществом отдельных частот. Совокупность таких частот излучения называется спектром поглощения. С другой стороны, нагретые вещества испускают излучение определенных частот. Совокупность последних называется спектром испускания вещества. Было установлено, что свет, испускаемый атомами газов, имеет линейчатый спектр, в котором спектральные линии могут быть объединены в серии (рис.2.1)

 

Рис. 2.1. Линейчатый спектр атома водорода в видимой области спектра (серия Бальмера).

(n - частота, l - длина волны)

В каждой серии расположение линий соответствует определенной закономерности. Частоты отдельных линий могут быть описаны формулой Бальмера,

	(2.1)
где n1 и n2 - целые числа; R - постоянная Ридберга.

В тех случаях, когда n₁ = 1 и n₂ = 2,3,4... формула Бальмера описывает серию линий спектра испускания атомов водорода в ультрафиолетовой области (серию Лаймана), при n₁ = 2 и n₂ = 3,4,5... - в видимой области (серию Бальмера), при n₁ = 3 и n₂ = 4,5,6... - в инфракрасной области (серия Пашена) и т.п.

Эти и другие спектры испускания и поглощения атомов и молекул указывают на то, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями. Это явление оказалось всеобщим и в 1900 году немецкий физик М. Планк выдвинул гипотезу о квантовании энергии в природе, которая полностью подтвердилась. Согласно Планку энергия изменяется скачкообразно - квантуется. Наименьшая порция (квант) энергии определяется выражением Планка:

E = h·n

где h - постоянная Планка, h = 6,625·10^-34 Дж^.с,

n - частота.

Планетарная модель строения атома оказалась неспособной объяснить линейчатый спектр испускания атомов водорода и тем более объединение линий спектра в серии. Согласно данной модели частота излучения атома должна равняться механической частоте колебаний или быть кратной ей:

n = n·n₀ ,

что не согласуется с формулой Бальмера. Кроме того, притяжение между электроном и ядром в конечном итоге должно привести к “падению” электрона на ядро, а это ведет к исчезновению атома. Однако, большинство атомов существует сколь угодно долго.

Выход из создавшегося положения был предложен датским физиком Н. Бором в 1913 г. (теория атома по Бору). Он постулировал:

1. В атоме, который не подвержен сильным внешним воздействиям, электрон движется не излучая энергии.

2. Энергия электронов в атоме не может быть любой, она принимает строго определенные значения. Электрон при этом может находиться на строго определенных энергетических уровнях.

3. Атом излучает или поглощает энергию при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.

DE₁ = E₂ - E₁ = h·n₁ ;

DE₂ = E₃ - E₁ = h·n₂ ;

т.к. DE₁ > DE₂, то n₁ > n₂

Частота излучения связана с энергией, излученной во время перехода.

Теория Бора успешно объяснила появление линейчатого спектра и наличие серий в спектре испускания атомов водорода. Однако она имела и серьезные недостатки:

1. Количественные расчеты многоэлектронных атомов оказались чрезвычайно сложными и практически не осуществимыми.

2. Постулаты Бора были остроумной догадкой о строении атома водорода, но они не имели физического обоснования.

3. Теория не объясняла тонкую структуру спектров атомов, заключающуюся в том, что отдельные линии расщепляются на несколько других. Она ошибочно описывала магнитные свойства атома водорода, принципиально не могла правильно описать образование химической связи в молекулах.