2.Атомная физика

Новые корпускулярно-волновые представления о природе материи родились не на пустом месте. Величайшие научные умы создавали квантовую механику не только из присущего человеку стремления к познанию, но под давлением экспериментальных фактов, полученных при исследовании строения атомов и молекул.

2.1.Развитие атомной физики

Предположения о том, что любое вещество состоит из частичек – атомов, высказывались еще философами до Новой эры. В XVIIIвеке благодаря работам Лавуазье, Дальтона, Ломоносова и др. исследователей эта идея получила экспериментальное подтверждение. Но до концаXIXстолетия ученые считали, что атомы не имеют структуры («атом» по гречески – «неделимый»). Вопрос о внутренней структуре атома возник лишь на рубежеXIXиXXвеков, когда стало ясно, что в атоме есть положительные и отрицательные заряды. Первая модель устройства атома была предложена в 1903 году английским физиком Дж.Дж.Томсоном, открывшим электрон. Томсон представлял себе атом, как положительно заряженную сферу, в которой, как изюминки в кексе, вкраплены отрицательные электроны.

2.1.1.Модель атома Резерфорда

Для изучения внутренней структуры атома английский физик Резерфорд в 1911 году использовал -частицы, испускаемые радиоактивными веществами. Резерфорд исследовал рассеяние потока-частиц на тонкой золотой фольге. При этом было обнаружено, что при столкновении-частиц с атомами золота отдельные частицы отклоняются на очень большие углы (до 150^о и более). Если бы атом представлял собой рыхлое образование, как предполагал Томсон, то-частицы проходили бы сквозь атом, почти не отклоняясь. На основании результатов своих опытов Резерфорд сделал предположение, что почти вся масса атома сосредоточена в небольшой области в центре атома (ядреатома), а электроны обращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Расчеты показали, что ядро занимает ничтожную часть объема атома. Его размер составляет 10^-14-10^-15м., а заряд равен +Zэлементарных зарядов. ЧислоZсовпадало с номером элемента в периодической таблице Менделеева. Размер атома определяется диаметром электронных «орбит» и равен10^-10м.

Зная массу m_еи зарядeэлектрона, можно рассчитать скорость движения электрона на орбите. Для этого нужно приравнять центробежную силу силе кулоновского притяжения электрона к ядру. Например, для атома водорода (Z=1)

, откуда. (32)

Здесь r – радиус электронной орбиты. Подстановка известных значений в эту формулу дает скорость электронаv 10⁶м/с.

Планетарная модельатома объяснила результаты опытов Резерфорда, но противоречила классической электродинамике. Согласно теории Максвелла электрически заряженная частица, двигаясь с ускорением, должна непрерывно излучать электромагнитные волны, то есть терять энергию. Расчеты показывали, что при тех центростремительных ускорениях, которые испытывает электрон на орбите, он за 10^-10с должен растерять всю свою энергию и упасть на ядро!

2.1.2.Спектр атома водорода

Планетарная модель атома противоречила и результатам исследований оптических спектров веществ. Согласно этой модели излучение атомов (энергетические потери электронов) должно было бы иметь непрерывныйспектр, а атомы водорода, например, давали спектр, состоящих из отдельных «линеек», соответствующих дискретным частотам (а следовательно, и энергиям). В 1885 году швейцарский ученый Бальмер установил, что частоты,соответствующие «линейкам» в видимом диапазоне спектра излучения водорода можно описать простой зависимостью (серия Бальмера):

,

где R– некоторая постоянная, аn = 3,4,5,…

Вскоре были обнаружены аналогичные серии в инфракрасной области (серия Пашена)

; (n=4,5,6,…)

и в ультрафиолетовой области (серия Лаймана).

; (n=2,3,4,…).

Видно, что все серии могут быть описаны одной сериальной зависимостью:

, (33)

где m = 1,2,… , аn = m+1,m+2, …