25.6 Досліди Резерфорда. Ядерна модель атома Резерфорда. Труднощі ядерної моделі атома

_{Дослід Резерфорда (1911р.)}

1 . Мета досліду. Першим запропонував модель атома англійський фізик Джордж Томсон у 1897р., відразу після відкриття ним електрона. За його моделлю, атом - це позитивно заряджена куля, діаметром 10^-10 м у яку вкраплені електрони (Рис. 6.13). Заряд кулі дорівнює заряду електронів, тому атом електрично нейтральний. Резерфорд вирішив перевірити цю модель і єксперементально встановити будову атома.

2 . Схема досліду зображена на рисунку 6.14.

3. Хід досліду: тонкий пучок a - частинок (a - частинки – це ядра гелію), що випромінюються радіоактивною речовиною, падає на фольгу, проходить крізь неї й попадає на люмінесцентний екран, викликаючи його свічення. Це свічення має вигляд дуже маленьких спалахів, які можна розглядати через мікроскоп.

4 . Результати досліду: а) більшість a - частинок проходять крізь фольгу, відхилившись на 1-2°; б) існують a - частинки (приблизно 1 на 2 000), які відхиляються на більші кути і навіть на 180°.

Висновок. Атом має ядерну (планетарну) будову. Це означає, що в центрі атома знаходиться дуже мале позитивно заряджене ядро, навколо якого рухаються електрони (Рисунок 25.9). Заряд ядра дорівнює сумі зарядів електронів, тому такий атом електрично нейтральний. Такий висновок можна зробити через те, що a-частинки можуть змінювати напрямок свого руху й відбиватися тільки тоді, коли додатній заряд і основна маса атома фольги зосереджені в дуже малій ділянці простору – ядрі. Інакше a-частинки проходили б крізь атом, уповільнюючи свій рух, але не відхиляючись від прямолінійної траєкторії (Рисунок 25.10). Розрахунки показали, що розміри ядра повинні не перебільшувати 10^-14 м, тобто у 10 000 разів бути меншими за розмір атома (10^-10 м). Під розміром атома розуміють розмір орбіти його електронів.

Труднощі ядерної моделі атома

Електрон – це негативно заряджена частинка. В атомі електрон обертається, тобто має доцентрове прискорення. А за теорією Максвела, всяка заряджена частинка, що рухається з прискоренням створює електромагнітну хвилю, яка із собою повинна забирати енергію електрона. Тобто електрон повинен зменшувати швидкість обертання і наближатися до ядра (Рисунок 25.11). Розрахунки показують, що за 10^-10 с усі електрони атома повинні впасти на його ядро, і атом припинить своє існування. Але у природі такого не буває. Через це виникла необхідність створення нової теорії, яка б описувала рух електронів в атомі. Такою теорією стала квантова механіка, основи якої заклав датський вчений Н. Бор.

25.7 Постулати Бора. Досліди Франка і Герца

Постулати Бора

1. Постулати Бора описують умови існування й випромінювання атомної системи (атомна система - це ядро, навколо якого обертаються електрони) .

2. Визначення. 1-й постулат - атомна система може знаходитись тільки в особливих стаціонарних станах (квантових станах), яким відповідає певна енергія W_n . У стаціонарному стані атом електромагнітні кванти не випромінює.

2 -й постулат - атом випромінює електромагнітні кванти під час переходу з одного стаціонарного стану з енергією W_m в інший з енергією W_n. Енергія кванта, що випроменився, дорівнює різниці енергії стаціонарних станів.

3. Математичний опис. hn=W_m-W_n

4. Межі застосування. Постулати Бора описують тільки атом з одним електроном, тобто атом водню, додатній іон гелію і двічі іонізований атом літію. Усі інші атоми описуються квантовою механікою.

Випромінювання й поглинання світла атомом

Атомна система - це ядро, навколо якого обертаються електрони. Електрони можуть обертатися тільки по певних орбітх, кажуть, атом може знаходитись тільки в певних стаціонарних енергетичних станах. Якщо електрон переходить із вищої орбіти на нижчу (Рисунок 25.12), то атом випромінює електромагнітний квант з енергією hn = W_m – W_n. Для того, щоб електрон перейшов із більш низької орбіти на вищу, потрібно, щоб атом поглинув електромагнітний квант з енергією hn = W_m –W_n., де W_m і W_n енергії атомної системи (надалі ці енергії будемо називати енергетичні рівні атомної системи). Якщо енергія кванта не дорівнює різниці енергетичних рівнів (hn¹W_m–W_n), то електромагнітний квант узагалі не поглинається атомом.

Енергетичні рівні атомної системи

Кожній допустимій електронній орбіті відповідає певний енергетичний рівень, енергію якого можна знайти у вигляді суми потенціальної W_п і кінетичної енергії W_к електрона.

Потенціальна енергія електрона W_п, який знаходиться на великій відстані від ядра (R=∞), приймається рівній нулю (W_п=0). Тому всередині атома енергія електрона буде меншою, тобто від’ємною. Вона дорівнює енергії, яку необхідно затратити для переміщення електрона з орбіти атома на нескінченність проти дії електричної сили притягання.

Особливості стаціонарних станів атомної системи

_{1. Атомна система має безліч енергетичних рівнів.}

_{2. Перехід} атомної системи з одного енергетичного рівня на інший відбувається миттєво (t=0).

_{3. Стан атомної системи, при якому електрони знаходяться на будь - якому, крім першого, енергетичному рівні називається збудженим. У збудженому стані атом може перебувати не більше 10}^-8c. Після чого він переходить на більш низький енергетичний рівень.

_{4. Стан атомної системи, при якому електрони знаходяться на першому, енергетичному рівні} називається незбудженим. У незбудженому стані атомна система може перебувати як завгодно довго.

Досліди Франка і Герца

1. Мета досліду. Підтвердженням постулатів Бора.

2 . Схема досліду подана на рисунок 25.13. Парами ртуті Hg під тиском 1 мм рт. ст. заповнювалася трубка з трьома електродами - катодом, сіткою й анодом. Між катодом К і сіткою С створювалося напруга U, що прискорює електрони, а між сіткою з й анодом А - невелика (~ 0,5 В) - негативна напруга, яка гальмувало електрони.

3. Хід досліду. Вимірювалася вольт-амперна характеристика, яка представлена на рисунку 25.14. Крива містить виразні максимуми струму, що з'являються через кратне число 4,9 вольт. Виходить, що атоми ртуті майже не сповільнюють електрони, а при «резонансних» значеннях енергії електрони майже повністю віддають свою енергію атомам ртуті.

4. Пояснення досліду. Падіння сили струму при U = 4,9 В відбувається тому, що при цій напрузі електрон непружно стикається з атомом ртуті й віддає йому енергію, тому струм різко зменшується. Наступні максимуми вольт-амперної характеристики викликані багаторазовими непружними зіткненнями електрона з атомами ртуті. Цю ситуацію можна пояснити лише з позицій квантових властивостей атома. З цієї точки зору дослід Франка й Герца є підтвердженням того, що атоми мають квантові властивості й можуть поглинати й випромінювати тільки певні, квантовані значення енергій.