IV. Физика атома
1. Составные части атома. Опыт Резерфорда
Атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая свойства элемента. Первоначально модель атома была создана в 1903 году Томсоном. Томсон считал, что в центре атома должен находиться электрон. Положительный заряд должен быть равномерно распределен по объему атома. Атом в целом должен быть электрически нейтральным. Электрон, находясь внутри положительно заряженного облака, мог участвовать в колебательном движении и излучать электромагнитные волны. Теория, базирующаяся на такой модели, предсказывала спектры, не отвечающие спектрам самого простого атома - водорода. Резерфорд в 1911 году провел эксперимент по уточнению модели, облучив тонкую фольгу альфа-частицами. Большая часть альфа–частиц, направленных на фольгу, свободно проходила сквозь фольгу. Некоторая часть частиц рассеивалась под разными углами. Очень малую долю составляли частицы, которые рассеивались под углом, близким к 180 градусам, т.е. отражались.
На основании своих исследований Резерфорд предложил ядерную модель атома. Согласно этой модели атом представляет собой нейтральную систему зарядов, в центре которой расположено тяжелое положительной ядро, размером не более 10-12см, а вокруг ядра расположены электроны, распределенные по всему объему атома. Количественный расчет значений углов рассеяния α – частиц подтвердил экспериментальные данные опытов Резерфода. Но ядерная модель атома неподвижных зарядов противоречила законам классической физики. Резерфорду пришлось в модели атома предположить вращение электронов вокруг ядра. Но и такая модель не обеспечивала сохранность орбит электрона в атоме.
Таким образом классическая физика не смогла дать устойчивую модель строения атома и не объяснила сложную структуру их спектров излучения.
2. Постулаты Бора
В 1913 году серьезную корректировку модели атома внес датский физик Н.Бор. Свои допущения Бор выразил в формулировках двух постулатов, явно противоречащих классическим канонам физики.
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергию. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь квантовые дискретные значения момента импульса, удовлетворяющие условию:
,
(n
= 1, 2, 3,…)
(4 – 1)
где
-
порядковый номер орбиты радиуса rn
, m
– масса электрона ,
- его скорость вращения.
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией, равной разности энергий атома соответствующих стационарных состояний.
,
(4 – 2)
где W1 и W2 энергии атома в стационарных состояниях до и после излучения (поглощения). При W2 < W1 происходит излучение фотона (переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, т.е. переход электрона с более удаленной орбиты на более близкую к ядру). При W2 > W1 происходит поглощение фотона (переход атома в состояние с большей энергией, т.е. переход электрона на более удаленную от ядра орбиту).
Существование дискретных стационарных состояний электронов в атомах в 1914 году экспериментально подтвердили Франк и Герц.