12. Строение атома

Опыты Резерфорда по рассеянию   частиц при прохождении их через тонкую металлическую фольгу показали, что большинство   частиц отклоняется незначительно от своего первоначального направления.

Однако имелись   частицы, которые отклонялись на углы 130⁰  150⁰.

В связи с этим Резерфорд предположил, что весь положительный заряд атома сосредоточен в малом объеме  его ядре. Поэтому вероятность попадания -частиц в ядро и их отклонение на большие углы мала.

Альфачастицы образуются при естественной радиоактивности некоторых тяжелых элементов (урана, тория и др.) и представляют собой частицы с зарядом 2е (е=1,610^19 Кл), массой m_= 6,6410 ^27 кг. По современным представлениям   частица – ядро изотопа атома гелия , содержит два протона и два нейтрона.

Ядро атома можно записать в виде символа , где Х химический элемент в периодической системе Менделеева; Z  число электронов в атоме или число протонов в ядре или порядковый номер элемента; А - массовое число, которое определяется числом протонов и числом нейтронов в ядре атома. Например, изотоп ядра атома железа , гдеZ = 26, число электронов  26, число протонов  26, число нейтронов  25.

Идея Резерфорда о строении атома позволила установить физический смысл порядкового номера периодической системы элементов.

Поскольку атом в нормальном состоянии нейтрален, то число электронов (заряд отрицательный) в атоме равно числу протонов (положительный заряд) в ядре.

Опыты по рассеянию света на электронах атомов показали, что наблюдаются резонансные явления.

Рассеяние наблюдается интенсивно, когда частота падающего света совпадает с собственной частотой колебания электронов.

Следовательно, изучая интенсивность рассеянного света в широком диапазоне частот, можно найти полное число электронов в атоме.

Другим методом по определению числа электронов является измерение коэффициента рассеяния рентгеновского излучения данным атомом. Эксперименты показали, что число электронов в атоме равно числу протонов в ядре. Зная заряд ядра Zе можно установить верхний предел размеров ядра d_я 10 ^15 м. Размер атома (d_ат 10^10  10^11 м). Опыты показали, что атом является устойчивой системой.

Он излучает энергию при определенных условиях. При излучении атома наблюдается линейчатый спектр, обусловленный строением и свойствами его электронной оболочки.

13. Линейчатый спектр атома водорода

Рис. 11

Спектром называют совокупность (сплошная, дискретная) монохроматических колебаний, излучаемых или поглощаемых каким-либо телом.

Любые светящиеся газы дают линейчатые спектры испускания. Изучая линейчатые спектры атома водорода, Бальмер получил формулу , (22)

где m и n  квантовые числа;   частота испущенного (поглощенного) кванта;

R = 3,2910¹⁵ с^1  постоянная Ридберга.

Ридберг показал, что в линейчатых спектрах не только атома водорода, но и атомах других элементов наблюдаются спектральные серии. В частности, для водорода из множества серий можно выделить спектральные серии (рис. 11):

I. серия Лаймана (ультрафиолетовый спектр) , гдеn = 1, m = 2, 3, 4, ... .

II. серия Бальмера (видимый спектр) , гдеn =2,

m =3, 4, 5, ... .

III. серия Пашена (инфракрасный спектр) , гдеn=3,

m=4, 5,.… и т. д.

В спектре поглощения водорода наблюдается только серия Лаймана, т. к. она соответствует квантовым переходам атома из основного состояния в другие возбужденные. Спектральные частоты водородоподобных ионов можно найти по формуле где;Z  порядковый номер в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.Спектральные серии водородоподобных ионов смещаются относительно спектральных серий атома водорода. При соединении атомов в молекулы и кристаллы внешние оболочки атомов сильно искажаются, поэтому оптические и инфракрасные спектры молекул являются полосатыми, а металлов сплошными.

Атом можно возбудить и путем удаления одного из электронов внутренней заполненной оболочки. На электрон глубокой оболочки в основном действует кулоновское притяжение ядра, лишь слегка экранированное другими электронами. Это экранирование учитывается заменой заряда ядра на (Z  )e, где   поправочный коэффициет ( << Z) и различен для глубоких оболочек.

В этом случае частота излучения при переходах на глубокие оболочки определяется по формуле

где J – постоянная (ионизационный потенциал).

Серии излучения лежат в рентгеновской области электромагнитного спектра. Наблюдаемое при электронных переходах на глубокие уровни атома рентгеновское излучение называют характеристическим, поскольку это излучение зависит от энергетического спектра электронов в атоме. Для отдельной серии, т. е. при фиксированном n частота излучения находится по формуле (закон) Мозли , где С_m  постоянная.

Закон Мозли позволяет по частотам характеристического рентгеновского излучения атомов устанавливать их номера, что сыграло положительную роль при определении мест элементов в периодической системе Д. И. Менделеева.