Строение атома водорода по Бору

К началу 20 века реальность атомов стала общепризнанной. Было установлено существование положительных и отрицатель­ных зарядов и открыт носитель отрицательного заряда — элек­трон. Было ясно, что атомы составляют сложную электродинамиче­скую систему размером порядка 10^-30 м. Стал актуальным во­прос о строении атома. Поскольку атом в целом электронейтра­лен, то положительные и отрицательные заряды, составляющие его, должны взаимно компенсироваться.

В 1906 году Эрнест Резерфорд, профессор Мак-Гиллского университета в Квебеке, изучая явление прохождения а-частиц (дважды ионизированных атомов гелия) через вещество, обнару­жил их рассеяние. В 1911 году, уже будучи профессором Манче­стерского университета, Э.Резерфорд завершил свои иссследо- | вания, установив закон рассеяния а-частиц атомами различных { элементов и предложил планетарную модель атома.

Схема опытов Резерфорда показана на рис. 1. Испускаемые радиоактивным веществом а-частицы двигались в вакууме и про­ходили затем через металлическую фольгу F толщиной ~ 1 мкм. После рассеяния на фольге они попадали на на минее пирующий экран Q. Удар каждой а-частицы об экран вызывал кратковре­менную вспышку - сцинтилляцию , наблюдаемую в микроскоп.

Испускаемые радиоактивными элементами а-частицы дви­жутся со скоростью порядка 10⁴ км/с, имеют положительный заряд, равный двум элементарным зарядам, и массу в 7350 раз большую массы электрона. Наблюдения показали, что большин­ство а-частиц проходят всю фольгу без заметного отклонения от первоначального направления. Некоторые частицы отклоняют­ся на небольшой угол и лишь немногие частицы претерпевают сильное отклонение.

Полагая, что положительный заряд, входящий в состав ато­ма, и а-частица взаимодействуют по закону Кулона, Резерфорд ввел понятие ядра атома, теоретически рассчитал картину рас­сеяния а-частиц, получив результат, хорошо согласующийся с опытными данными.

Исследования Резерфорда показали, что ядро имеет размер порядка 10^-15 м . При этом оказалось, что его заряд q, выра­женный в элементарных зарядах е, равен порядковому номеру Z химического элемента в таблице Менделеева. Он так же равен числу электронов в электронной оболочке атома.

Резерфорд предположил, что электроны движутся вокруг ядра по замкнутым эллиптическим орбитам, подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.

Однако резерфордовская модельатома не соотегствовала законам классической электродинамики. Согласно им элек­трон, вращаясь вокруг ядра, т.е. двигаясь с центростремитель­ным ускорением, должен непрерывно излучать электромагнит­ные волны. В результате этого он будет терять энергию и при­ближаться к ядру. Как показывают оценки, за время ~ 10^-8 с электрон должен упасть на ядро. В действительности этого не происходит атом стабилей. Кроме того, для внешнего наблю­дателя спектр излучения атомов в модели Резерфорда должен быть непрерывным. Как показали опыты по наблюдению спек­тров излучения атомов, это не так.

В 1885 году швейцарский физик и математик Иоганн Якоб Бальмер, проводя физические исследования в области спектро­скопии, обнаружил, что спектр излучения атома водорода в ви­димой части спектра является линейчатым. Он показал, что дли­ны волн линий видимой части спектра атома водорода можно определить с помощью простой формулы

может принимать значения n = 3, 4, 5, 6, 7. Формула (1) оказа­лась верной и при п = 8, 9, 10...; но в этом случае спектраль­ные линии уже лежат в ультрафиолетовой части спектра. Таким образом, в видимой части спектра излучения атома водорода на­блюдается только пять спектральных линий.

В 1890 году шведский физик и математик Иоганнес Роберт Ридберг обобщил формулу Бальмера, получив формулу, опреде­ляющую любую спектральную линию в спектре атома водорода:

Здесь m = 1, 2, 3...; п — целое число, большее, чем m, п = m + 1, m + 2, m 4- 3—

Таким образом, в спектре излучения и поглощения атома водорода оказывается бесконечно большое количество серий. Наи­более известными из них и часто используемыми на практике

являются серии Лаймана (m = 1), Бальмера (m = 2), Пашена (т = 3), Брекета (m = 4), Пфунда (m = 5).

Противоречия, возникшие в теории атома Резерфорда, сти­мулировали исследования в этой области. В 1913 году датский физик-теоретик Нильс Хендерик Давид Бор, работавший в это время в Манчестере у Э. Резерфорда, усовершенствовал модель атома Резерфорда, сформулировав ряд дополнительных утвер­ждений, которые в дальнейшем получили название постулатов Бора.