II. Атом водорода по резерфорду-бору

§ 6. Модели строения атома.

Опыты Резерфорда по рассеянию -частиц.

До конца ХIХ века считалось, что атомы – мельчайшие неделимые частицы вещества. Но открытие электрона показало, что эта отрицательно заряженная частица почти в 2000 раз легче атома и входит в состав любых атомов.

При различных процессах атомы теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Это означает, что атомы – сложные образования и состоят из положительно заряженных частиц и электронов. Как распределены эти частицы в атоме – было не известно.

Первая попытка создания модели атома принадлежит Дж. Дж. Томсону (1903). Согласно этой модели, атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар с радиусом порядка 10^–10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален. равномерно распределенным положительным зарядом и внутри сферы находятся электроны. Позднее было доказано, что представление о непрерывно распределенном внутри атома положительном заряде ошибочно.

В 1910-1911 гг. Э. Резерфорд с сотрудниками (Г. Гейгер и Э. Марсденн) провел опыты по зондированию атомов с целью выяснения характера распределения положительных и отрицательных зарядов в атоме. Для этого узкий пучок a - частиц, испускаемых радиоактивным веществом Р, направлялся на тонкую металлическую фольгу Ф, за ней помещался экран Э, который был покрыт сернистым цинком и при соударение с a-частицами экран светился. Вызываемые ударами a-частиц вспышки света наблюдались в микроскоп М. Микроскоп и экран можно было вращать вокруг оси, проходящей через центр рассеивающей фольги.

Напомним, a-частицы – это частицы, которые испускаются некоторыми радиоактивными элементами. Они обладают положительным зарядом, равным удвоенному элементарному заряду и движутся со скоростью =10⁷ м/с, поэтому обладают большой проникающей способностью.

Опыты показали, что a-частицы, пролетая через фольгу, рассеивались на разные углы. В некоторых случаях угол рассеивания j превышал 90⁰. Объяснить это можно было взаимодействием a - частиц с положительным зарядом атома. Причем этот заряд должен занимать малый объем и обладать большой массой. На основании этих опытов Резерфорд предложил ядерную модель строения атома. Согласно Резерфорду атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжелое положительное ядро с зарядом Ze, имеющей размеры, не превышающие 10^-14 м, а вокруг ядра расположены Z электронов, распределенных по всему объему, занимаемому атомом. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.

Однако ядерная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчи­вом состоянии, Э.Резерфорду пришлось отказаться от статической модели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра, описывая искривленные траектории. Но в этом случае электрон будет двигаться с ускорением, в связи с чем, согласно классической электродинамике, он должен непрерывно излучать электромагнитные (световые) волны и иметь сплошной спектр излучения. Процесс излучения сопро­вождается потерей энергии, так что электрон должен, в конечном счете, упасть на ядро. Из опыта известно, что атомы – это устойчивые образования, а спектр их излучения линейчатый, а не сплошной.

§7. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца.

Для объяснения противоречий модели строения атома опытным фактам датский физик Нильс Бор в 1913 г. обобщил гипотезу Планка для любой атомной системы, положив тем самым начало развитию квантовой теории строения атома. В основе теории Бора лежат два постулата:

I. Атомы и атомные системы могут длительное время находиться в определенных состояниях, называемых стационарными, при этом атом не излучает и не поглощает энергию. Энергии стационарных состояний образуют дискретный ряд Е ₁, Е ₂, Е ₃,…

II. Атомы излучают или поглощают энергию при переходе из одного стационарного состояния в другое, при этом квант излучаемой или поглощаемой энергии определяется соотношением: hv = E _n– E _m, где E_n, E_m – энергии стационарных состояний, между которыми произошел переход.

Данные постулаты экспериментально были подтверждены опытами немецких физиков Дж. Франка и Г. Герца. В трубке, заполненной парами ртути при малом давлении (давление приблизительно равно 13 Па) содержатся катод (К), две сетки (С₁ и С₂), анод (А). Исследовалась зависимость силы тока I от ускоряющего потенциала U между катодом и сеткой С₁. Электроны, вылетающие из катода за счет термоэлектронной эмиссии, разгонялись в электрическом поле между катодом и сеткой С₁, приобретая энергию . Между сеткой С₂ и анодом приложен небольшой (примерно 0,5 В) задерживающий потенциал. Электроны, ускоренные в области 1, попадают в область 2 между сетками, где испытывают соударения с атомами паров ртути. Электроны, которые после соударе­ний имеют достаточную энергию для преодоления задерживающего потенциала в об­ласти 3, достигают анода.

При увеличении ускоряющего потенциала от 0 до 4,9 В гальванометр показал монотонный рост анодного тока. При значениях U³4,9 В (и кратных ему значениях U³ 9,8 В; 14,7 В;…) на кривой I (U) появляются спады (рис.7.2). Это объясняется тем, что атомы ртути могут находиться только в состоянии с энергиями E₁, Е₂, Е₃, и т.д., а воспринимают энергию D Е = Е ₂– Е ₁. В данном случае D Е =4,9 эВ (электронвольт). Пока энергия электрона , соударения электронов с атомами упругие, т.е. электрон при соударении не теряет энергию. Поэтому он преодолевает тормозящее поле в области 3 и долетает до анода (ток растет). При =4,9 эВ соударение электрона с атомом ртути неупругое. Электрон отдает энергию атому и не может преодолеть тормозящее поле. Ток падает.

Таким образом, опыты Франка и Герца показали, что электроны при столкновении с атомами ртути передают атомам только определенные порции энергии, причем 4,9 эВ – наименьшая возможная порция энергии (наименьший квант энергии), кото­рая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Атом ртути при этом переходит в новое стационарное состояние (возбужденное). В этом состоянии атом может находиться время Dt» 10^-8 c, после чего вновь возвращается в состояние с энергией Е₁, испуская квант с частотой . Значение длины волны l=с/u=253,7 нм оказалось в соответствии со вторым постулатом Бора: , где Е ₁, Е ₂–энергии основного и возбужденного уровней энергии. Следовательно, идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний блестя­ще выдержала экспериментальную проверку.