ФГОУ ВПО «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 206 А

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЗОНАНСНОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ ГАЗА МЕТОДОМ ФРАНКА И ГЕРЦА

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики для студентов инженерно-технических специальностей

Калининград

2008

УДК 539.18 (076)

Утверждено Ректором Калининградского государственного технического университета 16 февраля 2001 г.

АВТОР - Горбачев А.А. - канд. техн. наук, доцент кафедры физики

Калининградского государственного технического университета.

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры физики КГТУ 16 ноября 2000 г., протокол № 2.

Оглавление

Стр.

1. ВВЕДЕНИЕ 3

2. КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ БОРА И ИХ ЭКСПЕРИМЕН-

ТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ В ОПЫТАХ ФРАНКА И ГЕРЦА 5

3. ЗНАЧЕНИЕ ТЕОРИИ БОРА 16

4. ЛАБОРАТОРНАЯ УЧЕБНАЯ УСТАНОВКА 18

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 20

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 22

6. ЛИТЕРАТУРА 23

1. Введение

В 1911 г. Резерфордом была предложена ядерная модель строения атома. Она оказалась подтверждённой последующими экспериментальными исследованиями. Согласно этой модели положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, имеет радиус значительно меньший, чем радиус самого атома (r_атома ~ 10^-10 м). Размеры же атома определяются не размерами ядра, а расстоянием от ядра до электронов, которые не "погружены" в ядро, как в модели Томсона (1897г), а расположены за его пределами. Для проверки модели ядерного строения атома Резерфорд и его сотрудники на опыте провели количественное исследование углового распределения рассеянных -частиц на атомах золота и сравнили опытные данные с угловым распределением, теоретически полученным Резерфордом из ядерной модели атома. Сравнение показало полное совпадение предсказаний теории о ядерном строении атома.

Таким образом, можно было представить, что электроны образуют механически равновесные системы, располагаясь так, чтобы силы притяжения каждого из них к ядру уравновешивались силами взаимного отталкивания электронов друг от друга (статические модели). Однако очевидно, что для системы «ядро - один электрон (атом водорода)» такое расположение невозможно; кроме этого, было доказано, что статические системы из ядра и нескольких электронов, взаимодействующих по закону Кулона, не могут быть механически устойчивы (теорема Ирншоу). Это обстоятельство привело Резерфорда к мысли о "планетарной" модели атома, по которой электроны в атоме вращаются вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Для механической устойчивости необходимо, чтобы это вращение электрона по орбите радиуса К происходило с такой скоростью V, при которой выполнялся бы 2- й закон Ньютона для тела, движущегося по окружности:

, (1)

где - масса электрона;

- заряд ядра;

е = 1,6-10^-19 Кл - элементарный заряд;

к = = 9∙10⁹ м/Ф - коэффициент пропорциональности.

Полная энергия электрона в атоме складывается из кинетической и потенциальной в кулоновском поле ядра. Если за ноль отсчёта потенциальной энергии взять энергию системы «ядро - покоящийся электрон», находящийся на бесконечности, то потенциальная энергия системы, состоящей из ядра и электрона, вращающегося на орбите с радиусом R, будет отрицательной и равна:

, (2)

а полная энергия атома будет равна:

(3)

Выразив из (1) и подставив в (3), получим: (4)

При движении по окружности электрический дипольный момент атома (рис. 1) также будет вращаться, то есть периодически изменяться его ориентация в пространстве. Однако периодическое изменение электрического дипольного момента любой системы, в том числе и атома, по законам электродинамики должно сопровождаться излучением электромагнитных волн и приводить к потере энергии атомом на излучение за счёт механической энергии Е. Уменьшение Е согласно (4) должно вызывать уменьшение радиуса орбиты R и привести, в конце концов, к падению электрона на ядро. Кроме того, частота обращения электрона вокруг ядра при этих условиях должна была бы непрерывно меняться, и спектры излучения атомов были бы сплошными, а не представляли бы собой совокупность спектральных линий. В результате планетарная модель оказывается неустойчивой электродинамически.

Вращение электрического дипольного момента атома водорода. Рис. 1

Таким образом, все попытки построить модель атома в рамках классической физики из электрически заряженных частиц не привели к успеху: модель Томсона, в которой электроны "спрятаны" в положительно заряженной части атома, опровергнута опытами Резерфорда; ядерные модели, в которых ядро "спрятано" в систему окружающих его электронов либо механически неустойчивы (статические модели), либо электродинамически неустойчивы (планетарная модель). Преодоление возникших трудностей потребовало отказа от традиционных для классической физики методов рассмотрения.