1. 26 Закономерности в атомных спектрах. Спектр атома водорода, формула Бальмера. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома.

Исследования спектров излучения разреженных газов (т. е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ определенный линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или групп близко расположенных линий. Самым изученным является спектр наиболее простого атома - атома водорода.

Ш вейцарский ученый И. Бальмер (1825-1898) подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные в то время спектральные линии атома водорода в видимой области спектра:

Наименьшей частью химического элемента, определяющей его основные свойства, является атом. В конце XIX в. французский физик А. Бек-керель открыл явление радиоактивного излучения. Английский физик Э. Резерфорд исследовал природу этого излучения. Оказалось, что пучок радиоактивного излучения в сильном магнитном поле разделился на три части: а-, b- и у-излуче-ния. b-Лучи представляют собой поток электронов, а-лучи — ядро атома гелия, у-лучи — коротковолновое электромагнитное излучение. Явление естественной радиоактивности указывает на сложное строение атома.

В экспериментах Резерфорда по изучению внутренней структуры атома золотая фольга облучалась а-частицами, проходящими через щели в свинцовых экранах со скоростью 107 м/с. а-Частицы, испускаемые радиоактивным источником, представляют собой ядра атома гелия. После взаимодействия с атомами фольги а-частицы попадали на экраны, покрытые слоем сернистого цинка. Ударяясь об экраны, а-частицы вызывали слабые вспышки света (рис. 48, а). По количеству вспышек определялось число частиц, рассеянных фольгой на определенные углы. Подсчет показал, что большинство ос-частиц проходит фольгу беспрепятственно. Однако некоторые а-частицы (одна из 20 000) резко отклонялись от первоначального направления (рис. 48, б). Столкновение ос-частицы с электроном не может так существенно изменить ее траекторию, так как масса электрона в 7350 раз меньше массы а-частицы.

Резерфорд предположил, что отражение а-час-тиц обусловлено их отталкиванием положительно заряженными частицами, обладающими массами, соизмеримыми с массой а-частицы. На основании результатов подобного рода опытов Резерфорд предложил модель атома: в центре атома расположено положительно заряженное атомное ядро, вокруг которого (подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца) вращаются под действием электрических сил притяжения отрицательно заряженные электроны. Атом электронейтрален: заряд ядра равен суммарному заряду электронов. Линейный размер ядра по крайней мере в 10 000 раз меньше размера атома. Такова планетарная модель атома по Резерфорду.

271. Существуют такие стационарные орбиты для электрона в атоме, движение по которым не сопровождается излучением. Для стационарных орбит выполняется условие mеv r n ,

n = 1,2,3….– квантовое число, соответствующее номеру орбиты.

Так как слева в равенстве (1.24) стоит момент импульса электрона ( mеv r ), то, иными словами, можно утверждать, что момент импульса электрона на стационарных орбитах может принимать только значения, кратные .

2. Излучение наблюдается только при переходе атома из одного состояния с энергией En в другое состояние с энергией Em , причем в результате такого перехода энергия кванта излучения равна:

hn w En Em

Очевидно, что радиус орбиты и скорость ( а значит и энергия) электрона уже не могут принимать любые значения. Появляется дискретный набор значений радиуса орбиты rn и соответствующий ему дискретный набор значений энергии En – набор энергетических уровней, на которых может находиться электрон.

Опыт Франка и Герца

Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытом Франка и Герца. Немецкие ученые Джеймс Франк и Густав Герц за экспериментальные исследования дискретности энергетических уровней получили Нобелевскую премию в 1925 г.

В опытах использовалась трубка (рис. 6.9), заполненная парами ртути при давлении р ≈ 1 мм рт. ст. и три электрода: катод, сетка и анод.

Электроны ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было изменять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом тормозящее поле 0,5 В (метод задерживающих потенциалов).

Рис. 6.9

Определялась зависимость тока через гальванометр Г от разности потенциалов между катодом и сеткой U. В эксперименте была получена зависимость, изображенная на рис. 6.10. ЗдесьU = 4,86 В – соответствует первому потенциалу возбуждения.

Рис. 6.10

Согласно боровской теории, каждый из атомов ртути может получить лишь вполне определенную энергию, переходя в одно из возбужденных состояний. Поэтому если в атомах действительно существуют стационарные состояния, то электроны, сталкиваясь с атомами ртути, должны терять энергию дискретно, определенными порциями, равными разности энергии соответствующих стационарных состояний атома.

Из опыта следует, что при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,86 В анодный ток возрастает монотонно, его значение проходит через максимум (4,86 В), затем резко уменьшается и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при и .

Ближайшим к основному, невозбужденному состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее по шкале энергий на 4,86 В. Пока разность потенциалов между катодом и сеткой меньше 4,86 В, электроны, встречая на своем пути атомы ртути, испытывают с ними только упругие соударения. При = 4,86 эВ энергия электрона становится достаточной, чтобы вызвать неупругий удар, при котором электрон отдает атому ртути всю кинетическую энергию, возбуждая переход одного из электронов атома из нормального состояния в возбужденное. Электроны, потерявшие свою кинетическую энергию, уже не смогут преодолеть тормозящий потенциал и достигнуть анода. Этим и объясняется резкое падение анодного тока при = 4,86 эВ. При значениях энергии, кратных 4,86, электроны могут испытывать с атомами ртути 2, 3, … неупругих соударения. При этом они полностью теряют свою энергию и не достигают анода, т.е. наблюдается резкое падение анодного тока.

Таким образом, опыт показал, что электроны передают свою энергию атомам ртути порциями, причем 4,86 эВ – наименьшая возможная порция, которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Следовательно, идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний блестяще выдержала проверку экспериментом.

Атомы ртути, получившие при соударении с электронами энергию , переходят в возбужденное состояние и должны вернуться в основное, излучая при этом, согласно второму постулату Бора, квант света с частотой . По известному значению можно вычислить длину волны светового кванта: . Таким образом, если теория верна, то атомы ртути, бомбардируемые электронами с энергией 4,86 эВ, должны являться источником ультрафиолетового излучения с , что действительно обнаружилось в опытах.

Таким образом, опыты Франка и Герца экспериментально подтвердили не только первый, но и второй постулат Бора и сделали большой вклад в развитие атомной физики.