ЛЕКЦИЯ № 4

'' »

ЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКА АТОМА И ТЕОРИЯ БОРА.

Изолированные атомы разреженного газа или паров металла испускают спектр, состоящий из отдельных спектральных линий. Поэтому спектр испускания атомов называется линейчатым.

Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов. Было замечено, что линии в спектрах атомов расположены не беспорядочно, а объединяются в группы или серии.

Исторически первым был изучен спектр атома водорода. В 1885 году швейцарский физик Бальмер установил, что длины волн линий спектра водорода могут быть вычислены по формуле:

А А ^п2 ^„Г^'

где Я„ - константа, п - целое число (п = 3, 4, 5...).

В спектроскопии принято характеризовать спектральные линии не частотой, а величиной, обратной длине волны

.•=1,

Х которую называют во.ч новым числом С учетом этого понятия предыдущую формулу можно записать в виде

•-^)

п=3,4,5...

4 где R' = — - константа.

^о Умножив обе части этого равенства на In с, получим:

J 1 1} ^-^J где n = 3, 4, S...,v - круговая частота,

R=—— - постоянная Ридберга (названа в честь шведского спектроскописта). ^о

Эта формула носит название <1н>рму:К1 Еа.ч ьмерн. а соответствующая серия спектральных линий атома водорода - серией Бальмера.

Более поздние исследования спектра атома водорода показали, что в нем имеется еще несколько серий. Линии этих серий могут быть представлены в виде формул, аналогичных формуле Бальмера:

v=R —-— где n = 2, 3, 4... серия Лаймана. U" "У

v = /Д -у - -у где n = 4, 5, 6... серия Пашена.

v

1 1

^~~п²

г/ 1 1

^ТТ-— 15 //

где n = 5, 6, 7... серия Брэкета.

где n = 6, 7, 8... серия Пфунда.

Ф

В общем виде частоты всех спектральных линии водорода можно выразить одной ормулой:

i n

v=R\

.w² п²

где тип- целые числа.

Эта формула подтвердилась на опыте с огромной точностью. Таким образом, в этой формуле ясно выступила особая роль целых чисел в спектроскопических закономерностях, осмысленная до конца лишь в квантовой механике.

Первая попытка создания на основе накопленных сведений «модели» атома принадлежит Д.Томпсону. Он предположил, что атом представляет собой сферу, заполненную положительно заряженной материей, в которой плавал электрон. Суммарный положительный заряд сферы равен заряду электрона, так, что атом в целом нейтрален.

Напряженность поля внутри этой сферы, как мы уже знаем из элек-^::::::::::^:::^::^::: тростатики, равна:

^Е-^

где R - радиус сферы, /• - расстояние от электрона до центра сферы.

( /<•' Согласно определению напряженности электрического поля Е = —

I Ч.

сила, действующая на электрон, равна:

е¹ е¹ F = -еЕ = - —- г = -kr , где k = —-.

R³ R³

Таким образом, электрон будет находиться под действием квазиупругой силы, т.е. совершать гармонические колебания около точки «О» с частотой о

ю =

Пользуясь этой формулой, можно оценить размеры атомов, т.е. его радиус

В видимой области спектра длине волны 0,6 мк соответствует частота о>=3 • Ю¹⁵ ——. сек

Следовательно, R»3 • 10~⁸ см, что по порядку величины согласуется с размерами атомов, полученных из газокинетических расчетов. Это является подтверждением модели Томпсона. Однако объяснить с помощью этой модели линейчатый спектр испускания атомов оказалось невозможно. Эта модель не могла также объяснить таблицы Менделеева - периодичности свойств атомов. Таким образом, было очевидно, что модель Томпсона неудовлетворительна и

3

в настоящее время она имеет лишь исторический интерес, как одно из звеньев в цеш развития представлении о строении атомов.

Опыты резерфорда по рассеянию а - частиц. Ядерная модель атома.

Для того, чтобы выяснить характер распределения положительных и отрицательны? зарядов в атоме, было необходимо опытное «зондирование» внутренних областей атома Требовались новые эксперименты. Особенно существенными оказались опыты Резер4юрда пс рассеянию а -частиц в веществе.

Напомним, что а-частицами называют частицы, выбрасываемые с огромной скоростью некоторыми веществами при радиоактивном распаде, о;-частицы обладают высокой монохроматичностью и большой массой, т.е. они не отклоняются при столкновениях с электронами, содержащимися в атомах, а отклоняются только при столкновениях с положительно заряженной материей атома, масса которой практически равна массе атома. Опыт осуществлялся следующим образом. Внутри полости, сделанной в куске свинца, помещалось радиоактивное вещество /-*, служившее источником а -частиц. На пути этого пучка а-частиц располагалась металлическая фольга Ф. При прохождении через нее а-частицы отклонялись от первонача льного направления на различные углы в. Рассеянные а-частицы ударялись об экран Е и вызывали в нем сцинтилляции, т.е. вспышки света, наблюдаемые в микроскоп М. Микроскоп и экран можно было вращать вокруг оси, проходящей через

фольгу, и устанавливать под любым углом в. Как показали измерения Резерфорда, некоторые а-частицы испытывают резкие отклонения от первоначального направления на очень большие углы. Это возможно только в том случае, если внутри атома имеется сильное электрическое поле, созданное зарядом большой массы и сконцентрированным в малом объеме.

Основываясь на этом выводе, Резерфорд предложил в 1911 году ядерную модель атома. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по замкнутым орбитам движутся электроны. Заряд ядра равен заряду всех электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома.

Модель Резерфорда явилась существенным шагом вперед, поскольку она представляла атом как динамическую систему движущихся электрических зарядов. Эта модель хорошо объясняла опыты по рассеянию а-частиц веществом и позволяла определить заряд ядра. Было показано, что заряд ядра равен порядковому номеру элемента в системе Менделеев, умноженному на элементарный заряд.

Однако модель Резерфорда при ее использовании приводит к ряду затруднений, которые сводятся к следующему:

Согласно законам классической электродинамики электроны, двигаясь по круговым

V¹ орбитам, обладают нормальным ускорением а„ =— и поэтому должны непрерывно

излучать электромагнитные волны. Излучение, вызванное вращением электронов вокруг ядра, будет непрерывно уменьшать их энергию. Поэтому они должны непрерывно приближаться к ядру. При этом должны меняться период их обращения и частота излучаемого света. Таким образом, спектр атома Резерфорда должен быть сплошным, но на самом деле он линейчатый.

t

Кроме этого, вследствие непрерывной потери энергии электроны должны упасть на ядре Следовательно, атом долго существовать не может. Новые идеи в теорию атомов были внесены Н, Бором.