1 Развитие представлений о строении атома
Атомистическое учение возникло еще в античные времена. Великие древнегреческие философы (Демокрит, Эпикур, Лукреций) рассматривали атомы как первокирпичики мироздания (“атомос” – неделимый, неразложимый). В трудах А. Лавуазье, М. Ломоносова, Д. Дальтона была доказана реальность существования атомов. Однако вопрос о внутреннем строении атома в то время даже не поднимался.
Первая попытка создания модели атома принадлежит Дж. Дж. Томсону (1903). Согласно этой модели атом представляет собой непрерывно заряженный положительным электричеством шар, внутри которого колеблются электроны. Эта модель была опровергнута опытами Э. Резерфорда по рассеянию α – частиц и в настоящее время имеет только историческое значение.
Э. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома. Эта модель основана на аналогии с Солнечной системой. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по замкнутым орбитам вращаются электроны. Заряд ядра равен суммарному заряду электронов, поэтому атом электрически нейтрален. Подобная модель оказалась неустойчивой электродинамически и противоречила опытным данным.
Важнейший этап развития представлений о строении атома – работы Н. Бора. Бор отказался от ряда представлений классической физики и постулировал принципиально новые положения. Его постулаты состоят в следующем:
1 В атоме есть стационарные круговые орбиты, двигаясь по которым электрон не излучает и не поглощает энергию. Радиус этих орбит удовлетворяет условию
rn
=
n (16.1)
где n - любое натуральное число (n = 1, 2, 3…..)
2 Электрон при переходе с одной орбиты на другую излучает или поглощает квант энергии, при этом выполняется закон сохранения энергии:
h = En - Em. (16.2)
Здесь En и Em – энергия стационарных состояний атома до и после перехода.
Существование энергетических уровней атомов было экспериментально подтверждено в опытах Франка и Герца (1913).
Теория Бора была крупным шагом в развитии атомной физики и явилась важным шагом в создании квантовой механики. Эта теория объяснила линейчатый спектр атома водорода, но не смогла объяснить интенсивность линий спектра. Эта теория обладает внутренними противоречиями и не может описать многоэлектронные атомы.
Исследования спектров излучения разреженных газов (т.е. изолированных атомов) показали, что каждому газу присущ вполне определенный линейчатый спектр, состоящий из спектральных линий или групп близко расположенных линий. Самым изученным является спектр атома водорода. Все линии спектра атома водорода могут быть описаны формулой, называемой формулой Бальмера:
=
R
,
(16.3)
где - частота спектральных линий в спектре атома водорода, R– постоянная Ридберга, m и n – целые числа.
Исследования более сложных спектров показали, что в расположении их линий также наблюдаются закономерности, только более сложные.
Формулы, описывающие положение спектральных линий, были подобраны эмпирически (т.е. опытным путем) и долгое время не имели теоретического объяснения. Удивительная повторяемость в формулах целых чисел, универсальность постоянной Ридберга свидетельствует о глубоком физическом смысле найденных закономерностей. Вскрыть эти закономерности в рамках классической физики не удалось. Как уже отмечалось, линейчатый спектр атома водорода частично был объяснен в рамках теории Бора. Однако описание многоэлектронных атомов потребовало привлечения квантовой механики.