Вопрос 22.

Развитие конц-ии атомизма. Эволюция представлений о строении атомов. Модели атомов и квантовый подход в объяснении атомной структуры вещества. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. Принцип неопределенности и принцип дополнительности. Неразличимость микрочастиц.

I. Модель атома Дж. Томпсона

Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 годах, после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. В 1903 Дж. Томпсон предложил статистическую модель атома, которая представляла собой сферическое пространство со связанными между собой положительными электрическими зарядами и "вкрапленными" в него отрицательными зарядами, при чем отрицательный суммарный заряд равен положительному заряду сферы (то есть заряд всего атома должен быть нейтральным). В этой модели предполагалось, что под влиянием внешних воздействий электроны могли совершать колебания, то есть двигаться ускоренно. Положительно заряженных частиц внутри атома модель атома Томсона не предполагала. Но как же тогда объяснить испускание положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами? Модель атома Томсона не давала ответа и на некоторые другие вопросы.^4]

II. Модель э. Резерфорда

Положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 году английским физиком Э. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах. Он пропустил альфа-частицы через тонкую металлическую фольгу и наблюдал их рассеяние, т.е. отклонение от их первоначального пути. Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое число частиц, которые отклоняются очень сильно. Некоторые частицы отбрасываются назад, как если бы на пути встретилось что-то твердое, непроницаемое. Это не электроны – их масса гораздо меньше массы альфа-частиц. Отклонение может происходить при столкновении с положительными частицами массой того же порядка, что и альфа-частицы. Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил планетарную модель атома.

Как вокруг Солнца на больших расстояниях от него обращаются планеты, так электроны в атоме обращаются вокруг атомного ядра. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра – атом в целом нейтрален. Такая схема строения атома легко объясняет явления отклонения альфа-частиц. Но, однако, такая модель атома противоречила законам классической электродинамики, поскольку ускоренно движущийся электрон (как любой ускоренно движущийся заряд) должен был бы излучать электромагнитные волны, теряя энергию, и из-за этого достаточно быстро упасть на ядро. На самом деле этого не происходит.

III. Модель атома по Бору

Ядерная модель атома Резерфорда получила дальнейшее развитие в работах датского физика Нильса Бора. Бор поставил цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил ядерную модель Резерфорда. В 1913 году он разработал количественную модель атома водорода, которая была названа моделью Резерфорда-Бора. Создав, таким образом, первую квантовую теорию атома водорода, Бор сумел построить модели атомов других элементов. В основу своей теории атома Бор положил следующие постулаты:

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): атом может находиться только в особых квантовых (стационарных) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Е_{n .} В стационарном состоянии атом не излучает.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией

h = E_n – E_m ,

равной разности энергий соответствующих стационарных состояний (E_n и E_m – соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения/поглощения).

Теория Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый линейчатый спектр водорода. Успехи теории атома водорода были получены ценой отказа от фундаментальных положений классической механики, которая на протяжении более 200 лет остаётся, безусловно, справедливой. Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. Построить количественную теорию строения атома на основе постулатов Бора не удалось. В нестоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на любой вопрос, касающийся строения и свойств любых элементов.

Корпускулярно-волновой дуализм заключается в том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны, атомы) обладают свойствами и частиц и волн. Количественное выражение корпускулярно-волнового дуализма - соотношение де Бройля.

Принцип неопределенности. Вернер Гейзенберг математически выразил принцип неопределенности. Оказалось, что не только координату, но и импульс частицы невозможно точно определить. Причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию

∆x*∆p>=h,

т.е. произведение неопределенностей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка. Согласно этому принципу, чем точнее определяется местонахождение данной частицы, тем меньше точности в определении ее скорости и наоборот.

Принцип дополнительности. Согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы и ее скорость (или импульс). С физической (.) зр. принцип дополнительности часто объясняют влиянием измерительного прибора на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительных величин (например, координаты частицы) с помощью соответствующего прибора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает полностью неконтролируемое изменение.

БИЛЕТ 23.

Развитие строения атома как подтверждение фундаментальности периодического закона Д.И. Менделеева. Реализация в таблице фундаментального закона природы – перехода количества в качество.

Открытие сложного строения атома – важнейший этап становления современной физики. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные системы, были сформированы новые представления о свойствах микрочастиц, которые описываются квантовой механикой. Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Менделеев, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине xlx в. было экспериментально доказано, что электрон является одной из основных частей любого вещества. Эти выводы и многочисленные эксперименты привели к тому, что в начале XX в. серьёзно встал вопрос о строении атома. Были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения при определенных условиях одних атомов в другие. Первые косвенные подтверждения о сложной структуре атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Была установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Томсон предложил первую модель атома, по которой атом-сгусток материи, обладающий положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что в целом атом-электрически нейтральное образование. Положительно заряженных частиц внутри атома модель атома Томсона не предполагала. Предложенная Резерфордом схема строения атома или, как обыкновенно говорят, планетная модель атома, легко объясняет явления отклонения альфа-частиц. Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале её развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. В 1913 г. английский учёный Мозги, изучая рентгеновские спектры, нашёл соотношение между длинами волн рентгеновских лучей и порядковыми номерами соответствующих элементов. Заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента. С учётом нейтральности атомов было установлено и число электронов, вращающихся вокруг ядра в атоме каждого элемента. Ядерная модель атома Резерфорда получила дальнейшее развитие в работах датского физика Нильса Бора, в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров. Каждому элементу отвечает свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Развивая ядерную теорию Резерфорда, учёные пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов.