Постулаты Бора

К 1913 г. имелись три экспериментальных факта, которые не находили объяснения в рамках классической физики:

1. Эмпирические закономерности линейчатого спектра атома водорода, выраженные в формуле Бальмера – Ридберга.

2. Ядерная модель атома Резерфорда.

3. Квантовый характер излучения и поглощения света (тепловое излучение и фотоэффект).

Для возможности разрешения возникших затруднений Н. Бор (датский ученый) сформулировал три постулата для водорода и водородоподобных атомов – ядром с зарядом Ze и один электрон движется вокруг ядра.

I – й постулат – постулат стационарных состояний:

В системе существуют некоторые стационарные состояния, не изменяющиеся во времени без внешних воздействий. В этих состояниях атом не излучает света.

II –й постулат – правило квантования орбит:

В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите с ускорением, не излучает света, должен иметь дискретные (квантованные) значения момента импульса

III – й постулат – правило орбит:

Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое.

Величина светового кванта равна разности энергий стационарных состояний, между которыми совершается переход электрона

,

n > m – испускание фотона,

n < m – поглощение фотона.

Набор возможных дискретных частот

Квантовых переходов и определяют линейчатый спектр атома.

 

§4 Опыты Франка и Герца

 

Первый и третий постулаты Бора были экспериментально подтверждены в опытах Франка и Герца (немецкие ученые) в 1913 г.

Вакуумная трубка, заполненная парами ртути (давление р ~13 Па) содержала катод (К), две сетки (С₁ и С₂) и анод (А). Электроны, испускаемые катодом ускорялись разностью потенциалов, приложенной между К и С₁. Между сеткойС₂ и А приложен небольшой задерживающий потенциал 0,5 В. Электроны, ускоренные в области, где испытывают соударения с атомами ртути. Электроны, которые имеют после соударения достаточную энергию для преодоления задерживающего потенциала в области 3 (по рисунку), достигают анода. При неупругих соударениях электронов с атомами ртути последние могут возбуждаться. Согласно теории Бора, каждый из атомов ртути может получить лишь вполне определенную энергию, переходя при этом в одно из возбужденных состояний. (Основное состояние n = 1, возбужденное - n = 2, 3, 4,…) Поэтому, если в атомах действительно существуют стационарные состояния, то электроны, сталкиваясь с атомами ртути, должны терять энергию дискретно, определенными порциями, равными разности энергий соответствующих стационарных состояний.

Из опыта следует, что при увеличении ускоряющего потенциала до 4,86 В анодный ток возрастает монотонно. Пройдя при U = 4,86 В через максимум, анодный ток резко падает. Затем опять возрастает при изменении U = 4,86 ÷ 2·4,86 В. При  U = 2·4,86 В падает и затем опять возрастает и т.д.

Ближайшим к основному состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее от основного на 4,86 эВ. Пока разность потенциалов U_С1-К < 4,86 В электроны испытывают упругие столкновения, и под действием поля летят к А. При U_С1-К = 4,86 В энергия электронов поглощается парами ртути, и энергии электронов не хватает на преодоление задерживающего потенциала и т.д.

Атом ртути, переходя в основное состояние, испускает свет с λ = 255 нм (УФ),  который и был обнаружен в опыте. Таким образом, опыт Франка и Герца подтвердил I иIII – й постулаты Бора.