7.4. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома

_{К началу 20 века было с полной достоверностью установлено, что в состав каждого атома входят электроны. Вместе с тем было установлено, что атом в целом электрически нейтрален. Отсюда следовало, что отрицательный заряд электронов в атоме должен компенсироваться суммарным положительным зарядом каких то других частиц, входящих в состав атома.}

_{В 1911 г. Резерфорд, с целью изучения структуры атомов, провел эксперименты по изучению рассеяния α-частиц (имеющих положительный заряд, равный двум элементарным зарядам, и массу в 7350 раз больше массы электрона), проходящих через вещество. Схема опыта Резерфорда показана на рис. 7.4а. α-частицы, испускаемые радиоактивным веществом, двигались в вакууме и, проходя через фольгу F (толщиной около 1 мкм), падали на люминесцентный экран Q. Удар каждой α-частицы об экран вызывал кратковременную вспышку – сцинтилляцию, наблюдаемую в микроскоп.}

Рис. 7.4

Наблюдения показали, что большинство α-частиц проходит сквозь фольгу без заметного отклонения от первоначального направления, некоторые частицы отклоняются на небольшой угол и лишь немногие частицы претерпевают сильное отклонение (рис. 7.4_б).

_{Естественно предположить, что отклонение α-частиц вызвано их взаимодействием с массивными положительно заряженными частицами, имеющими малый размер и расположенными на большом расстоянии друг от друга.}

_{Исследования позволили определить порядок размера этой частицы (10}^-13 _{см) и его заряд. Оказалось, что заряд q, выраженный в элементарных зарядах е, равен порядковому номеру Z химического элемента в периодической системе Менделеева:}

_{q/e = Z.}

_{На основании полученных результатов Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома. Согласно этой модели, весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в атомном ядре, размер которого ничтожно мал по сравнению с размером атома (10}^-8 _{см). Вокруг ядра по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Заряд ядра равен по абсолютному значению суммарному заряду электронов.}

7.5. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца

_{С точки зрения классической физики предложенная Резерфордом модель атома обладала двумя недостатками. Во-первых, она приводит к неустойчивости атома. Действительно, ускоренно движущиеся по круговым орбитам электроны (для них центростремительное ускорение не равно нулю) излучают электромагнитные волны, теряя энергию, и падают на ядро, то есть атом является неустойчивым. Во-вторых, теряя энергию, электрон излучает электромагнитные волны всех частот (сплошной характер излучения), тогда как на опыте наблюдаются линейчатые спектры излучения. Для того чтобы убрать эти недостатки модели Резерфорда, Бор ввел два постулата (недоказуемые утверждения). Приведем их формулировку.}

_{1-й постулат. Существуют стационарные состояния, находясь в которых атом не излучает электромагнитные волны. Эти состояния выбираются из условия, при котором модуль механического момента импульса L кратен постоянной Планка}

_(7.4)

_{В формуле (7.4) величину n называют главным квантовым числом, оно определяет номер стационарного состояния.}

_{2-й постулат. Поглощение или излучение квантов света (фотонов) происходит при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Энергия излучаемого или поглощаемого фотона равна разности энергий стационарных состояний:}

_(7.5)

_{Наглядным подтверждением правильности постулатов Бора явились результаты опыта Франка и Герца.}

Рис. 7.5

Схема опыта заключалась в следующем. В стеклянной трубке создавался вакуум, затем она заполнялась парами ртути под низким давлением. В трубке находились катод _{К и анод А, а между ними располагалась сетка (рис. 7.5а). Катод подогревался и за счет термоэлектронной эмиссии испускал электроны. Между катодом и сеткой прикладывалось ускоряющее напряжение U, пройдя которое электроны приобретали кинетическую энергию (mv}²_{/2 = eU).}

_{Между сеткой и анодом создавалась задерживающая разность потенциалов, равная U1 = 0,5 В (тормозящее электрическое поле). Измеряя силу тока, ткущего между анодом и катодом, снимали вольт- амперную характеристику (ВАХ, I = I(U), рис.7.5б).}

_{В обычных условиях при упругих столкновениях между электронами и атомами напряжение U1 не сказывается на виде ВАХ.}

_{Ситуация резко изменяется, если происходят неупругие столкновения электронов с атомами ртути, тогда электрон полностью отдает приобретенную кинетическую энергию атому, скорость электрона резко уменьшается, и он не сможет преодолеть задерживающую разность потенциалов U1. Это должно приводить к падению силы тока, протекающего в цепи.}

_{Результаты опыта оказались следующими. До U = 4,9 В наблюдалось монотонное увеличение силы ток с повышением напряжения (это объясняется тем, что происходят только упругие столкновения электронов с атомами ртути), затем при напряжении U = 4,9 В начинается падение силы тока (некоторые из электронов испытывают неупругие столкновения с атомами ртути, отдают им часть своей кинетической энергии и не могут преодолеть задерживающую разность потенциалов U1). При дальнейшем повышении напряжения ток начинает снова возрастать (электроны, испытавшие неупругие столкновения с атомами, получают в пространстве между катодом и сеткой достаточную кинетическую энергию от ускоряющего поля для преодоления U1 и достигают анода). При напряжении U = 9,8 В электроны испытывают два неупругих столкновения с атомами ртути, теряют полностью свою кинетическую энергию, что сопровождается вторым резким падением силы тока в цепи.}

_{Следовательно, полученная ВАХ свидетельствует о том, что энергия атома в стационарных состояниях принимает только определенные значения. Наименьшая порция энергии ∆W, которую может поглотить атом, соответствует переходу электрона из основного состояния (W1) на первое возбужденное (W2) для атомов ртути ∆W = W2 – W1 = ‌ ‌ ‌‌‌‌e‌U = 4,9 эВ.}

Лекция 8