2. Протиріччя резерфордовської моделі атома. Постулати н.Бора та їх дослідне обґрунтування (дослід Франка і Герца)

Протиріччя моделі резерфордовської атома очевидні: 1) під дією сили протягування Кулона електрон повинен наближатися до ядра, рухаючись по спіралі і впасти на нього. Тобто атом не довговічний, що протирічить досвіду. Окрім того, рухаючись по спіралі (рис.6.3), прискорення електрона змінюється плавно, а тому і випромінювана ним енергія повинна змінюватись плавно. Тобто спектр випромінювання атомами повинен бути суцільним, що протирічить експериментам, у яких має місце лінійчатий спектр.

Для зняття цих протиріч Нільс Бор у 1913 р. висунув рад постулатів, які не узгоджувались із класичним уявленнями.

1. електрони в атомі рухаються по певним стаціонарним орбітам і, не дивлячись на наявність доцентрового прискорення, не випромінюють енергії.

2. стаціонарні орбіти електронів характеризуються тим, що момент імпульсу електрона mVr_n на них цілократний , тобто змінюється дискретно (кантується) (h = 6,62∙10^-34Дж∙с – стала Планка)

. (6.2)

n = 1, 2, 3, …

3. Випромінювання чи поглинання енергії атомом відбувається при переході електрона із однієї стаціонарної орбіти на другу, причому енергія випроміненого чи поглинутого кванта дорівнює різниці енергій електрона на цих стаціонарних орбітах (рис.6.4)

(6.3)

Останній постулат пояснював лінійчатий характер атомних спектрів і був найбільш неприйнятний фізиками. Нерозуміння викликало твердження, що атом може сприйняти тільки певну порцію енергії: не більшу і не меншу! Саме цей факт дискретної зміни енергії атомом був експериментально підтверджений у 1913 році дослідами німецьких фізиків Дж.Франка і Г.Герца. Досліджувалась взаємодія електронів з атомами ртуті (рис.6.5). У скляний балон, що містив ртутну пару при тиску близько 13 Па, були впаяні: підігрівний катод К, який випромінював електрони, анод А, з’єднаний з гальванометром Г і сітка С. Між сіткою та катодом створювалось електричне поле, яке прискорювало електрони до енергії eU. Між сіткою та анодом створювалось невелике гальмівне поле з різницею потенціалів порядку 0,5 В. Досліджувалась вольт-амперна характеристика (ВАХ), тобто залежність анодного струму І від напруги U між катодом та сіткою (рис.6.6). Виявилось, що вона має осцилюючий характер. Через певні однакові значення напруги 4,9 В струм різко зменшувався, а потім знову зростав. Таких хід ВАХ пояснюється двояким характером зіткнень електронів з атомами

ртуті: пружними при енергії меншій за 4,9 еВ і непружними, коли енергія електрона досягає значення 4,9 еВ. Саме така енергія необхідна для переходу атома ртуті в збуджений стан. Якщо таке зіткнення відбувається поблизу сітки, електрон, втративши енергію, не може подолати слабке затримуюче поле між сіткою та анодом. Струм спадає. При подальшому збільшенні прискорюючої напруги між катодом та сіткою енергію 4,9 еВ електрон набуває пройшовши меншу відстань, тобто місце непружного зіткнення наближається до катода. На шляху, що залишився до сітки, електрон знову прискорюється і, долаючи гальмівне поле С – А, потрапляє на анод. Струм зростає. Послідуючі спади струму відбувається тоді, коли електрон на шляху до сітки зазнає два, три і т.д. непружних зіткнення, але останнє відбувається поблизу сітки.

Таким чином, цей дослід підтвердив постулат Бора про дискретний характер зміни енергії атомів. Було також виявлене ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 253,7 нм, яка відповідає енергії кванта світла саме 4,9 еВ. Це збуджені атоми ртуті віддають надлишок енергії при переході в нормальний стан.