Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
22
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
3.43 Mб
Скачать

Заняття 56 Атомна фізика

1. Класичні уявлення про будову атома.

2. Ядерна модель атома Бору.

3. Квантово-механічна модель будови атома.

4. Лазери, квантові генератори.

  • будова атома, квантування стану електронів в атомі;

  • принцип роботи лазера, квантового генератора;

Тема 7. Фізика атома

Розвиток теорії будови атома.

Модель Резерфорда.

Модель Бору.

Сучасне квантово-механічне пояснення будови атома.

Ключові слова: моделі будови атома, постулати Бору, серії Лаймана, Бальмера, Пашена, рівняння Шрьодінгера, хвильова функція, електронна хмара, квантові числа, енергетичні рівні і підрівні, принцип Паулі, спин електрона.

Розвиток теорії будови атома

Уявлення про атом, як про якнайменшу частинку речовини було встановлено в основу кінетичної теорії газів, що дозволило пояснити і передбачити ряд експериментальних явищ. Проте вже в кінці XIX сторіччя були одержані нові експериментальні дані, які свідчили про складну будову атома: відкриття катодного проміння показало, що електрично нейтральні атоми і молекули складаються з протилежно заряджених частинок (протонів і електронів). Експериментально встановлені закони дискретного випромінювання і поглинання енергії атомами (спектральні серії фотоефекту) не знаходили пояснення у межах класичної електродинаміки.

Не вкладалися в межі класичних уявлень також результати дослідів Франка і Герца по взаємодії вільних електронів з атомами. В одному з варіантів їх дослідів вивчалася взаємодія електронів, що вилетіли з розжареного катода, з атомами ртуті, які зустрічалися на їх шляху. Енергію електронів можна було міняти, змінюючи прискорюючий потенціал між катодом і анодом. Перед анодом знаходилася сітка, на яку подавали невеликий затримуючий потенціал. При пружному зіткненні електронів з атомами ртуті енергія, яку придбав кожний електрон, не змінювалася, і електрони досягали анода, створюючи струм, реєстрований гальванометром. Із збільшенням різниці потенціалів між катодом і анодом струм зростав за рахунок збільшення кількості електронів, які вилітали з катода.

Якби зіткнення було непружним, і електрон віддав би всю свою енергію атому ртуті, він не зміг би пройти ділянку затримуючого потенціалу і був би спійманий сіткою, а це, у свою чергу, викликало б зниження анодного струму. Досвід показав, що при поступовому збільшенні прискорюючого потенціалу анодний струм росте. Проте кожного разу при значеннях прискорюючого потенціалу, кратних 4,9 В, а саме: 4,9; 9,8; 14,7 В і т.д., струм різко падає.

З цього можна зробити висновок, що атоми ртуті можуть поглинати енергію лише порціями тільки певної величини, кратної 4,9 В, і якщо енергія електрона відрізняється від цього значення, зіткнення електронів з атомами відбувається майже без змін енергії електрона. Для пояснення цих явищ потрібне створення нових уявлень про будову атома.

Модель Резерфорда

Досліджуючи розсіяння -частіц, що проходять крізь металеву фольгу, англійський фізик Э. Резерфорд (1871-1937) створив планетарну систему, в якій діють сили електричного тяжіння.

У центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена практично вся маса атома. Навкруги ядра, подібно планетам навкруги Сонця, обертаються негативно заряджені електрони.

Найпростіша будова має атом водню. Позитивно заряджене ядро атома водню було названо протоном. Навкруги протона обертається один електрон. Пізніше було встановлено, що ядро будь-якого атома складається з протонів і нейтронів. Нейтрон має масу майже рівну масі протона, але на відміну від нього, електрично нейтральний. Маса електрона складає приблизно маси протона і тому майже не впливає на атомну вагу речовини. Кількість позитивних або негативних зарядів атома визначає місце елементу в періодичній системі елементів Менделєєва. Позитивний заряд ядра будь-якого атома дорівнює порядковому номеру елементу в таблиці Менделєєва. Кількість нейтронів в ядрі визначається різницею між цілим числом ближчого до атомної ваги елементу і кількістю протонів в ядрі або, іншими словами, різницею між закругленою атомною вагою і порядковим номером елементу.

З умови електричної нейтральності атома одержуємо, що кількість електронів, які знаходяться навкруги ядра, дорівнює кількості протонів, які знаходяться в ядрі атома.

Згідно експериментальним результатам Резерфорда радіус траєкторії електрона у воднеподібному атомі складає 0,5310-10 м, діаметр ядра атома водню рівний 2,610-15 м. Таким чином, об'єм ядра заповнює приблизно 1/10000 об'єму атома. Наочне уявлення про відносні розміри атома водню і його ядра дає таке порівняння: так виглядає куля перетином з однокопійчану монету в середині сфери діаметром в 1 км. Речовина ядра має величезну густину 200 млн. т в 1см3. Маса протона і маса нейтрона mp  mn=l,6710-27 кг, маса електрона me=9,ll10-31 кг.

Боровській радіус електрона, rо=2,810-17 м. Він визначає відстань, на якій електростатична енергія взаємодії електрона з точковим зарядом такої ж величини дорівнює власній енергії електрона: , де е - заряд електрона; с - швидкість світла у вакуумі; mo - маса електрона.

Резерфордовська модель атома добре узгоджувалася з результатами розсіяння -частинок атомами речовини, проте вона не пояснила причин стійкості такого атома і закономірностей випромінювання енергії за певних умов (збудження, наприклад, при високих температурах). Згідно законам електродинаміки, при обігу навкруги ядра електрон повинен випромінювати електромагнітні хвилі. В результаті випромінювання власна енергія електрона повинна зменшуватися, при цьому траєкторія його відображатиметься спіраллю, і за час порядку 10-8 секунд електрон повинен буде впасти на ядро. Такий висновок, одержаний на основі уявлень класичної фізики про випромінювання, суперечив відомій стабільності атомів і характеру атомних спектрів випромінювання.

Соседние файлы в папке тема 13 атом і ядро