2.1.3. Атомні спектри

Ядерна модель атома Резерфорда, підтверджена великою кількістю експериментальних даних, була значним кроком уперед у процесі пізнання будови атома, проте вона не могла пояснити деякі факти. Відомо, якщо сонячний промінь пропустити крізь призму, він розкладається, і на екрані, поставленому за призмою, з’являється кольорова смуга, яка містить усі кольори райдуги в безперервній послідовності. Це пояснюється тим, що білий промінь складається з електромагнітних хвиль різної довжини, які, проходячи крізь призму, неоднаково нею заломлюються і потрапляють на різні місця екрана. Такий спектр називається суцільним. Його утворюють нагріті до високої температури тверді тіла або рідини. Світло, яке випромінюється розжареним газом або парою, складається з електромагнітних хвиль певної довжини, тому замість суцільної кольорової смуги на екрані з’являється ряд окремих кольорових ліній, розділених темними проміжками. Так, у видимій частині спектра Гідрогену містяться п’ять ліній: червона, зелена, синя і дві фіолетові (рис. 8).

Рис. 8. Схема атомного спектра Гідрогену у видимій області

Такі спектри називають лінійчастими (атомними). Експериментально встановлено, що кожному хімічному елементу відповідає свій атомний спектр, який відрізняється від спектрів інших елементів.

Модель атома Резерфорда не могла пояснити походження лінійчастих спектрів. Більше того, вона їм суперечила. Справді, за законом класичної електродинаміки електрон, який обертається навколо ядра, повинен безперервно випромінювати електромагнітну енергію у вигляді світлових хвиль, за рахунок чого швидкість його руху весь час зменшуватиметься, а електрон “впаде” на ядро, що призведе до припинення існування атома. Це не збігається з реальними властивостями атомів, які є стійкими утвореннями і можуть існувати без руйнування нескінченно довго. Крім того, у разі безперервного випромінювання енергії електроном спектр атома має бути безперервним, суцільним, а він лінійчастий.

Також модель атома Резерфорда не змогла пояснити існування стійких атомів.

2.1.4. Квантова теорія світла

У 1900 р. німецький фізик Макс Планк, вивчаючи природу випромінювання нагрітих твердих тіл, висловив припущення, що енергія випромінюється і поглинається не безперервно, а дискретно, певними частинами – квантами, пропорційними частоті коливань.

Величину кванта енергії можна обчислити зі співвідношення, яке називається рівнянням Планка:

, (3)

де Е – кількість енергії з частотою коливань ; h – константа пропорційності, або універсальна стала Планка, що дорівнює 6,626  10^-34 Джс.

Із рівняння видно, що енергія кванта тим більша, чим більша частота коливань або чим менша довжина хвилі.

Постулат Планка був обґрунтований Ейнштейном (1905). Аналізуючи явище фотоелектричного ефекту, тобто здатності металів випромінювати електрони під дією світла, він дійшов висновку, що електромагнітна (промениста) енергія існує лише у формі квантів і випромінювання є потоком неподільних матеріальних частинок (фотонів), енергія яких визначається за рівнянням Планка.

Із погляду класичної механіки обертання електрона з масою m навколо ядра атома визначається моментом кількості руху, тобто добутком mvr, де r – радіус кола; v – швидкість руху електрона. Припускається, що величини r і v можуть змінюватись як завгодно і безперервно.

У квантовій механіці енергія електрона, що рухається, може змінюватись тільки квантами. Це означає, що величини r і v, від яких залежать величина енергії і момент кількості руху mvr, також мають змінюватись стрибкоподібно. У квантовій механіці момент кількості руху виражається співвідношенням h/2 і може дорівнювати h/2n, де n = 1,2,3,4, ..., тобто будь-якому цілому числу

. (4)