5. Атомная физика. Элементы квантовой физики

5.1. Модели атома. Спектры излучения атомов водорода

Еще в античные времена возникло представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества («атомос»неразложимый). К началу XVIII в. существование атомов было доказано, но атомы по-прежнему считались неделимыми. В 1869 г. Д. И. Менделеев раз­работал Периодическую систему элементов, отражающую единую природу атомов. Напрашивался вывод о том, что атом имеет сложное строение. Когда было ­ доказано, что электрон является составной частью любого атома, встал вопрос о строении атома. Результаты исследований свойств электрона и радиоактивности позволили строить конкретные модели атома.

Первая модель атома принадлежит Дж. Томсону (1903 г.). Согласно этой модели атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиусом порядка 10^-10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны; отрицательный суммарный заряд электронов равен положительному заря­ду шара, поэтому атом в целом нейтрален. Через несколько лет было доказано, что атом устроен иначе. Это открытие принадлежит английскому физику Резерфорду. Он исследовал прохождение αчастиц в веществе через золотую фольгу толщиной примерно 1 мкм. α–частицыположительно заряжен­ные частицы с зарядом 2е^-и массой, примерно в 7300 раз большей массы электрона. Проходя через фольгу, основная их часть незначитель­но отклонилась (согласно предложенной Томсоном модели атома). Но совершенно неожиданно оказалось, что примерно 1 частица из 20000 возвращается назад в сторону источника. Легкие электроны не могут существенно изменить движение тяжелых и быстрых частиц. Значительное отклонение α–частиц обусловлено тем, что они наталкиваются на тяжелую частицу с положительным зарядом. Объем этой тяжелой частицы очень мал по сравнению с объемом атома, так как сильно отклоняются лишь немногие α–частицы. Чтобы объяснить результаты опытов Резерфорд в 1911 г. предложил принципиально новую модель атома, напоминающую по строению Солнечную систему - плане­тарную (ядерную) модель атома. Согласно этой модели положитель­но заряженная часть атома не распределена по всему его объему, а сосредоточена в чрез­вычайно малом объемеядреатома (размер – 10^-15… 10^-14м). Вокруг положительного ядра, имеющего зарядZe(Z– порядковый номер элемента в системе Менделеева,е элементарный заряд), по замкнутым орбитам движутся электроны, подобно планетам вокруг Солнца, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т. е. вокруг ядра должно вращатьсяZэлектронов. В атоме действуют электрические (кулоновские) силы.

Электрон движется вокруг ядра по круговой орбите радиуса r (с центростремительным ускорением). Согласно классической электродинамике ускоренно движущийся электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию на излучение и упасть на ядро. Однако этого не происходит. Другая трудность состояла в следующем: если принять, что частота излучаемого электроном света равна частоте колебаний электрона в атоме (или числу оборотов в одну секунду), то излучаемый свет по мере приближения электрона к ядру должен непрерывно изменять свою частоту. Соответственно спектр излучаемого света должен быть сплошным (в нем должны присутствовать все частоты). Но это противоречит опыту. Атом излучает волны вполне определенных частот, типичных для данного химического элемента, и характеризуется спектром, состоящим из отдельных спектральных линий – линейчатым спектром (рис. 5.1).

Исследования спектров излучения разреженных газов (т. е. спектров излучения отдель­ных атомов) показали, что каждому газу присущ определенный линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или групп близко расположенных линий. Самым изученным является спектр наиболее простого атома — атома водорода. Линии объединены в группы, которые принято называть сериями (на рис. 5.1 дана серия Бальмера в спектре атома водорода, длины волн указаны в ангстремах). Расстояние между линиями уменьшается с увеличением длины волны.

Швейцарский ученый И. Бальмер (1885 г.) подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные в то время спектральные линии атома водорода в видимой области спектра:

, (n= 3, 4, 5, …), (5.1)

где R =1,10·10⁷ м^-1 постоянная Ридберга. Так как частота = c/, то эта формула может быть представлена для частот. В дальнейшем были обнаружены серии линий в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра. Все серии линий в спектре атома водорода могут быть описаны одной формулой, называемой обобщенной формулой Бальмера:

, (5.2)

где mимеет в каждой данной серии постоянное значение,т =1, 2, 3, 4, 5, 6 (определяет серию), ппринимает целочисленные значения начиная с (т+1) (определяет отдельные линии этой серии).

Таким образом, в рамках модели атома Резерфорда не могли быть объяснены устойчивость атома и линейчатые спектры его излучения. Противоречия модели Резерфорда оказалось возможным разрешить, лишь отказавшись от ряда привычных представлений классической физики.

Датский физик Нильс Бор в 1913 г. предпринял смелую попытку объяснить результаты анализа спектра атома водорода. Это была первая попытка построить качественно новую (квантовую) теорию атома.