1. Линейчатый спектр атома водорода

Во второй половине 19 века было проведено детальное исследование спектров газов и паров металлов. Оказалось, что изолированные атомы разряженного газа, паров металлов имеют линейчатые спектры. Спектры состоят из отдельных линий расположенных не беспорядочно. Лини объединяются в группы и серии.

В 1885 году швейцарский физик и математик Бальмер, изучая видимую часть спектра водорода, показал, что длины волн ее удовлетворяют формуле (формула Бальмера):

, где 3, 4, 5…,

Здесь - постоянная Ридберга.

Так как , то формула Бальмера может быть переписана для частот:

,

где .

Совокупность длин волн, удовлетворяющих формуле Бальмера, называется серией Бальмера. Дальнейшие исследования показали, что в спектре водорода есть несколько серий:

Серия Лаймана: , 2, 3, 4,…, которая находится в ультрафиолетовой области спектра.

Серия Бальмера: , где 3, 4, 5… - в видимой области спектра.

В инфракрасной области спектра были обнаружены:

Серия Пашена: , где 4, 5,6 …

Серия Брекета: , где 5, 6, 7…

Серия Пфунда: , где 6, 7, 8…

Серия Хэмфри: , где 7, 8, 9…

Все приведенные выше серии в спектре атома водорода могут быть описаны одной формулой, называемой обобщенной формулой Бальмера:

,

где имеет в каждой серии постоянное значение: 1, 2, 3,…, принимает целочисленные значения, начиная с и определяет отдельные линии этой серии: , , …, . Значение определяет границу серии.

Приведенные выше формулы подобраны эмпирически и долгое время не имели теоретического обоснования.

2. Модели атома Томсона и Резерфорда

Для объяснения спектров атомов были предложены различные модели атомов.

В 1903 году английский физик Томсон предложил модель атома, представляющую собой непрерывно заряженный положительный шар радиусом м, в которую вкраплены электроны. Суммарный отрицательный заряд, равен положительному заряду шара и поэтому атом нейтрален.

Однако, в 1911 году английский физик Резерфорд своими опытами по рассеянию - частиц опровергает утверждение Томсона о непрерывном распределении положительного заряда внутри шара. В своем опыте Резерфорд обнаружил, что при прохождении - частиц через золотую фольгу толщиной 1мкм основная их часть испытывает незначительные отклонения, но некоторые - частицы (примерно одна из 20000) отклоняются на углы равные . На основании этих исследований Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели в центре атома находится положительно заряженное ядро, имеющие размеры м. Вокруг ядра по орбитам вращаются электроны. Число электронов равно заряду ядра.

Столкновение с ядром - частиц происходят крайне редко из-за его малых размеров. Но планетарная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики:

1. Вращающийся электрон имеет заряд, движется он ускоренно и поэтому должен излучать. Излучая энергию, он приближается к ядру по спирали. Расчеты показывают, что он упадет на ядро через с. То есть атом Резерфорда не устойчив.

2. По мере приближения к ядру радиус траектории электрона убывает. Момент инерции его убывает. Но по закону сохранения момента импульса . Так как непрерывно убывает, должно расти. Поэтому спектр излучения должен быть сплошным, а не линейчатым.

Таким образом, планетарная модель атома не могла объяснить ни устойчивость атома, ни характер спектра.