Ядерная модель строения атома по Резерфорду

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 20Следующая ⇒

К началу XX века было достоверно установлено, что в состав каждого атома входят отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные частицы. В целом атом электронейтрален.

В 1911 г. английский физик Резерфорд предложил ядерную модель строения атома, сохранившую свое значение и до настоящего времени, хотя некоторые положения Резерфорда рассматриваются иначе с современной точки зрения. Согласно теории Резерфорда весь положительный заряд и почти вся масса атома (99, 4%) сосредоточены в атомном ядре. Размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером атома (10^–13см и 10^–8см). Вокруг ядра по замкнутым эллиптическим орбитам, которые в первом приближении можно считать круговыми, движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Заряд ядра равен по абсолютной величине суммарному заряду электронов. В 1919 году Резерфордом был открыт носитель положительного заряда–протон.

Согласно гипотезе, высказанной в 1923 году Д. Иваненко и являющейся теперь общепризнанной, в состав атомных ядер входят положительно заряженные протоны и электронейтральные нейтроны. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона. Масса протона почти равна массе нейтрона и в 1836 раз больше массы электрона. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева, а сумма протонов и нейтронов равна округленному до целого числа атомному весу.

Таким образом, атом в целом является совокупностью небольшого числа очень малых частиц–электронов, протонов и нейтронов, распределенных в сравнительно очень большом объеме.

Затруднения теории Резерфорда

Предложенная Резерфордом модель строения атома покоится на твердых экспериментальных данных и хорошо объясняет их. Но в то же время она не объясняет ни спектральных закономерностей, ни самого факта испускания атомом монохроматического излучения. В самом деле, движение электрона по орбите, как и всякое криволинейное движение, есть движение с ускорением. Согласно законам классической электродинамики криволинейное движение должно сопровождаться излучением света соответствующей частоты. В частности, при равномерном движении по кругу частота излучения равна частоте обращения по кругу. Следовательно, при движении электрона вокруг ядра атом должен излучать энергию. Но непрерывное уменьшение энергии приводит к непрерывному уменьшению радиуса орбиты электрона и электрон будет двигаться по спирали приближаясь к ядру. А так как скорость движения электрона остается неизменной, то увеличивается число оборотов в секунду, т.е. непрерывно должна увеличиваться частота излучении, спектр излучения должен быть непрерывным. Непрерывно приближаясь к ядру электрон через малую долю секунды должен упасть на ядро, т.е. атом должен являться неустойчивой системой.

Таким образом, применение классической электродинамики к модели атома Резерфорда приводит к полному противоречию с экспериментальными фактами. Согласно классической теории должно быть:

а) непрерывное приближение электрона к ядру, т.е. неустойчивость атома, но в действительности атом является весьма устойчивой системой;

б) спектр излучения должен быть только непрерывным, сплошным, в действительности же наблюдаются спектры линейчатые.

Для объяснения этих противоречий понадобилось новая физическая теория – квантовая теория.

Понятие о квантах и постоянная Планка

Целый ряд световых явлений, как например, фотоэффект, линейчатые спектры и другие, не могли быть объяснены с точки зрения волновой теории света и в начале XX века зарождается новая теория света– квантовая теория. В 1900 году ученый Макс Планк предложил теорию, согласно которой лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывным волновым потоком, а как бы отдельными порциями, которые получили название квантов. По теории Планка величина энергии кванта e пропорциональна частоте колебаний n:

e = h× n

(4)

Коэффициент пропорциональности h является универсальной постоянной т.е. независящей от условий опыта, и получили название п о с т о я н н о й Планка.

Кванты света получили название ф о т о н о в.

Одним из основным выводов теории относительности Эйнштейна является закон, устанавливающий взаимосвязь массы и энергии: e = m c2

где m –масса тела; с –скорость света; e –энергия связанная с массой m.

В силу этого закона фотон должен обладать массой:

(5! )

Так как фотон движется со скоростью света, то его масса покоя должна быть равна нулю, m₀= 0, т.е. не существует покоящихся фотонов.

Обладая массой, фотон обладает и импульсом. Импульс фотона можно определить из равенства:

p =

= mc

(5!! )

Таким образом, фотон подобно любой движущейся частице обладает энергией, массой, импульсом. Наличие у фотона массы и импульса экспериментально подтверждается опытами П.Н Лебедева по измерению светового давления.

Постулаты Бора

В 1913 г. Нильс Бор предложил новую теорию излучения, в которой ему удалось согласовать теорию атома Резерфорда с эмпирической формулой Бальмера.

В основу теории Бора положены следующие три постулата:

1. При движении электрона вокруг ядра атома возможны только те орбиты, для которых момент количества движения электрона кратен . Математически это записывается равенством:

mur = n

(6)

где m – масса электрона; u – скорость электрона;

r – радиус орбиты; n – целое число 1, 2, 3, 4.......

h – постоянная Планка.

Орбиты, удовлетворяющие указанному условию, называется в о з м о ж н ы м и или стационарными. Число n называют г л а в н ы м квантовым числом.

2. Второй постулат утверждает: когда электрон движется по одной из возможных круговых орбит – атом не излучает.

Все попытки как–нибудь логически обосновать этот постулат оказались тщетным.

3. Если электрон под каким–либо воздействием переходит с орбиты, близкой к ядру на какую–либо другую более удаленную, то энергия атома увеличивается, на что требуется затрата внешней энергии. Но такое возбужденное состояние атома малоустойчиво и электрон падает обратно по направлению к ядру на более близкую возможную орбиту.

Третий постулат Бора утверждает: когда электрон перескакивает /падает/ с одной орбиты на другую, лежащую ближе к ядру атома, то потерянная атомом энергия переходит в один квант лучистой энергии, испускаемой атомом.

Положим, что электрон упадет с n₂–ой орбиты на n₁ –тую. Тогда потерянная энергия определяется равенством:

En₁ – En₂ = h n или n =

(7)

где En₂ и En₁ – энергия атома при положении электрона на n₂–ой и n₁ –ой орбите; n – частота излучения. Это так называемое условие частот Бора.

Квантовая теория Бора строения атома сыграла важную роль в развитии физики. Количественно и весьма наглядно объяснив строение атома, она наметила правильный подход к изучению внутриатомных процессов.

Но использовать теорию Бора для расчета спектров многоэлектронных атомов оказалось невозможным. Ограниченность квантовой теории Бора обусловлена тем, что базируясь на к в а н т о в ы х исходных положениях, она пользуется законами к л а с с и ч е с к о й механики для описания движений электронов в атоме.

В современной же квантовой механике движение электронов в атоме характеризуется не одним, а четырьмя квантовыми числами. Да и сам электрон не считается сосредоточенным в одном месте, а рассматривается как электронное облако переменной плотности, причем плотность облака в любой точке объема атома пропорциональна в е р о я т н о с т и нахождения электрона в этой точке. Но законы, установленные квантовой механикой, уже не обладают той простотой и наглядностью, которая свойственна теории Бора.

Волны де Бройля

Сопоставление волновых и квантовых свойств света приводит к выводу, что свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных частиц, фотонов, представляет диалектическое единство этих противоположных свойств. Однако в проявлении этих противоположных свойств имеется вполне определенная закономерность.

С уменьшением длины волны все более отчетливо проявляются квантовые свойства света. С этим связано, например, существование красной границы фотоэффекта (см. лабораторную работу № 28). Очень сложно наблюдать волновые свойства рентгеновских и гамма лучей, но отчетливо проявляются их квантовые свойства. И наоборот, у длинноволнового излучения квантовые свойства проявляются в малой степени и основную роль играют его волновые свойства. Одновременное существование у света волновых и квантовых свойств ставит вопрос об их сочетании и взаимозависимости.

В 1923 г. французский физик Луи де Бройль пришел к выводу, что двойственная квантово–волновая природа характерна не только для света. Де Бройль провел аналогию между обладающими волновыми и корпускулярными свойствами квантами света (фотонами) и любым телом микромира, обладающим импульсом, приписывая движущимся частицам волновые свойства.

Согласно идеям де Бройля с каждой движущейся частицей связан волновой процесс. Если количество движения (импульс) частицы mu, то длина волны де Бройля, которые он называл волнами материи, определяется равенством:

l =

(8)

Выразив отсюда h и подставив в уравнение первого постулата Бора, найдем:

2pr_n = nl

(9)

Следовательно, с точки зрения идей де Бройля возможными могут быть только те орбиты, на которых укладывается целое число волн де Бройля.

Следует иметь в виду, что для макроскопических тел длина волны де Бройля очень мала. Например, для тела массой 1г при скорости 1000м/сек длина волны де Бройля будет порядка 10^–33м –никаким экспериментом такую волну обнаружить невозможно и на любой орбите таких волн уложится целое число. Но в микромире, где массы частиц имеют порядок 10^–31кг, что сравнимо с порядком постоянной Планка, волны де Бройля имеют заметную длину и могут быть обнаружены.

Дальнейшее усовершенствование и уточнение идеи де Бройля придало волнам материи смысл волновой функции и сделало его концепцию основой современной квантовой механики.

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 15 16 171819 20 Следующая ⇒