Линейчатый спектр атома водорода.

Исследования спектров излучения разре­женных газов (т. е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ вполне определенный линей­чатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или групп близко рас­положенных линий. Самым изученным яв­ляется спектр наиболее простого атома — атома водорода.

Швейцарский ученый И. Бальмер (1825—1898) подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные в то время спектральные линии атома во­дорода в видимой области спектра:

где R '= 1, 10•10⁷ м^-1 — постоянная Ридберга. Так как v = c/l, то формула

(209.1) может быть переписана для частот:

где R=R'с=3, 29•10¹⁵с^-1также постоян­ная Ридберга.

Из выражений (209.1) и (209.2) вы­текает, что спектральные линии, отличаю­щиеся различными значениями n, образу­ют группу или серию линий, называемую серией Бальмера. С увеличениемn линии серии сближаются; значениеn=¥ опре­деляет границу серии, к которой со сторо­ны больших частот примыкает сплошной спектр.

Теория Бора для водородоподобных атомов.

Следующая попытка построения теории атома была предпринята Нильсом Бором в 1913 году. В основу теории положена идея объединения в единое целое закономерностей линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения энергии атомами. В своей теории Бор сохранил описание поведения электронов в атоме при помощи классической физики, дополнив его некоторыми ограничениями (постулатами) на их возможные состояния. Бор лишь частично отказался от законов классической физики. В дальнейшем выяснилась полная неприменимость представлений классической физики к внутриатомным процессам и необходимость заменить их другими представлениями, которые положили начало квантовой механики. Однако принципиально непоследовательная теория Бора привела к некоторым правильным результатам, согласующимся с опытными данными. Теория Бора применима для описания атома водорода (Н) и водородоподобных атомов, состоящих из ядра с зарядом и одного электрона, вращающегося вокруг ядра ( и т.д.). Для других атомов периодической системы Менделеева она оказалась несостоятельной.

Постулаты Бора 1–й постулат (постулат стационарных состояний). Существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых, атом не излучает энергии. (Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, двигаясь по которым с ускорением, электрон не излучает электромагнитных волн). 2–й постулат (правило квантования орбит). Когда атом находится в стационарном состоянии, электрон в нем, двигаясь лишь по стационарным орбитам, должен иметь квантованные значения момента импульса кратные : , где = 1, 2, 3….. – номер орбиты, – радиус стационарной n–ой орбиты, – соответственно масса и скорость электрона, – постоянная Планка, – редуцированная постоянная Планка. 3–й постулат (правило частот). В каждом стационарном состоянии электрон обладает определенной энергией. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант энергии , равный разности энергии электрона в этих состояниях: , где – номера стационарных орбит, их называют квантовые числа. Линейная частота испускаемого кванта равна , она связана соотношениями с круговой частотой и длиной волны излучения (с – скорость света в вакууме).

Опыт Франка и Герца

Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытом Франка и Герца. Немецкие ученые Джеймс Франк и Густав Герц за экспериментальные исследования дискретности энергетических уровней получили Нобелевскую премию в 1925 г.

В опытах использовалась трубка (рис. 6.9), заполненная парами ртути при давлении р ≈ 1 мм рт. ст. и три электрода: катод, сетка и анод.

Электроны ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было изменять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом тормозящее поле 0, 5 В (метод задерживающих потенциалов).

Определялась зависимость тока через гальванометр Г от разности потенциалов между катодом и сеткой U. В эксперименте была получена зависимость, изображенная на рис. 6.10. ЗдесьU = 4, 86 В – соответствует первому потенциалу возбуждения.

Согласно боровской теории, каждый из атомов ртути может получить лишь вполне определенную энергию, переходя в одно из возбужденных состояний. Поэтому если в атомах действительно существуют стационарные состояния, то электроны, сталкиваясь с атомами ртути, должны терять энергию дискретно, определенными порциями, равными разности энергии соответствующих стационарных состояний атома.

Из опыта следует, что при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4, 86 В анодный ток возрастает монотонно, его значение проходит через максимум (4, 86 В), затем резко уменьшается и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при и.

Ближайшим к основному, невозбужденному состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее по шкале энергий на 4, 86 В. Пока разность потенциалов между катодом и сеткой меньше 4, 86 В, электроны, встречая на своем пути атомы ртути, испытывают с ними только упругие соударения. При = 4, 86 эВ энергия электрона становится достаточной, чтобы вызвать неупругий удар, при котором электрон отдает атому ртути всю кинетическую энергию, возбуждая переход одного из электронов атома из нормального состояния в возбужденное. Электроны, потерявшие свою кинетическую энергию, уже не смогут преодолеть тормозящий потенциал и достигнуть анода. Этим и объясняется резкое падение анодного тока при = 4, 86 эВ. При значениях энергии, кратных 4, 86, электроны могут испытывать с атомами ртути 2, 3, … неупругих соударения. При этом они полностью теряют свою энергию и не достигают анода, т.е. наблюдается резкое падение анодного тока.

Таким образом, опыт показал, что электроны передают свою энергию атомам ртути порциями, причем 4, 86 эВ – наименьшая возможная порция, которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Следовательно, идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний блестяще выдержала проверку экспериментом.

Атомы ртути, получившие при соударении с электронами энергию, переходят в возбужденное состояние и должны вернуться в основное, излучая при этом, согласно второму постулату Бора, квант света с частотой. По известному значению можно вычислить длину волны светового кванта: . Таким образом, если теория верна, то атомы ртути, бомбардируемые электронами с энергией 4, 86 эВ, должны являться источником ультрафиолетового излучения с, что действительно обнаружилось в опытах.

Таким образом, опыты Франка и Герца экспериментально подтвердили не только первый, но и второй постулат Бора и сделали большой вклад в развитие атомной физики.

Основное состояние атома

Квантовые числа

Состояние микрообъектов описывает квантовое число

n- главное квантовое чилсо, характеризует E е, n(1.2.3.4…) (размер)

l-орбитальное квантовое число (0.1.2..n-1)

Le=h’ l(l+1) орбитально энергетический момент

Me- магнитное квантовое число

Le=h’mc m(0, +-1, +-2, +-l)

Спиновое квантовое число

Ls = h’

Магнитное спиновое чилсо m= +-1\2

Опыты Штерна и Герлаха

Опыт состоял в следующем: пучок атомов серебра пропускали через сильно неоднородное магнитное поле, создаваемое мощным постоянным магнитом. При прохождении атомов через это поле, в силу обладания ими магнитных моментов, на них действовала зависящая от проекции спина на направление магнитного поля сила, отклонявшая летящие между магнитами атомы от их первоначального направления движения. Причём, если предположить, что магнитные моменты атомов ориентированы хаотично (непрерывно), то тогда на расположенной далее по направлению движения атомов пластинке должна была проявиться размытая полоса. Однако вместо этого на пластинке образовались две достаточно чёткие узкие полосы, что свидетельствовало в пользу того, что магнитные моменты атомов вдоль выделенного направления принимали лишь два определённых значения, что подтверждало предположение квантово-механической теории о квантовании магнитного момента атомов.

Позднее с аналогичными результатами были проделаны опыты для пучков атомов других металлов, а также пучков протонов и электронов. Эти опыты доказали существование магнитного момента у рассмотренных частиц и показали их квантовую природу, явив собой доказательство постулатов квантовой теории.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. V. Нарушение ферментативного спектра миокарда.
2. А. Электрон. Б. Позитрон. В. Электрон и антинейтрино. Г. Позитрон и нейтрино. Д. Ядро атома гелия. Е. Протон. Ж. Нейтрон.
3. Абсорбционные методы спектрального анализа
4. Взвешенный мгновенный спектр
5. Для решения этих вопросов в офсетной печати используется целый спектр различных классов красок.
6. Н. Бор сформулировал в 1913 г. постулаты для объяснения модели атома
7. Периодический закон и строение атома.
8. Политические партии в России в начале ХХ века. Спектр политических партий и движений начала XX в., их программы и методы борьбы за власть.
9. Понятие о спектральной плотности ССП
10. Препараты узкого спектра действия, устойчивые к действию пенициллиназы
11. Санитарные нормы спектральных показателей вибрационной нагрузки на оператора