Тема II. Атом водорода по Резерфорду-Бору

§ 4. Модели строения атома. Опыты Резерфорда по рассеиванию -частиц

До конца 19 века считали, что атомы – мельчайшие неделимые частицы вещества. Но открытие электрона показало, что эта отрицательно заряженная частица » в 2000 раз легче атома и входит в состав любых атомов.

При различных процессов 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 было не известно.

Первая модель строения атома принадлежит Томсону(1901 г.). По этой модели, атом – положительно заряженная сфера, внутри которой вкраплены электроны.

Данная модель не соответствовала экспериментальным фактам.

В 1912 г. Резерфорд провел опыты по зондированию атомов. Для этого узкий пучок a - частиц направляется на тонкую металлическую фольгу, за ней помещается экран, который покрыт особым веществом, при соударение с a - частицами экран светится. Экран можно перемещать и наблюдение ведется через микроскоп.

a - частицы – это изучение, которое дают некоторые радиоактивные элементы. Они обладают зарядом и движутся со скоростью , поэтому обладают большой проникающей способностью.

Опыты показывают, что a - частицы, пролетая через фольгу, рассеиваются на разные углы. В некоторых случаях угол рассеивания >90 .

Объяснить это можно взаимодействием a - частиц с положительным зарядом атома. Причем этот заряд должен занимать малый объем и обладать большой массой.

На основании этих опытов была предложена модель строения атома, которая называется ядерная или планетарная.

В центре атома находится положительно заряженное ядро. А вокруг по замкнутым орбитам движутся электроны.

Причем: m_атома » m_ядра; r_атома = 10^{-10 м; r}_ядра = 10^{-15 м}

Данная модель хорошо объясняет опыты Резерфорда, но противоречит законам классической механики и электродинамики.

Электрон, вращающийся вокруг ядра, движется с ускорением, а по законам электродинамики заряд, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны.

Процесс излучения связан с потерей энергии, поэтому радиус орбиты электрона должен все время уменьшаться и электрон должен упасть на ядро.

Реально это не происходит.

Излучение, даваемое таким атомом должно содержать различные длины волн (сплошной спектр излучения).

Из опыта известно, что атом – это устойчивые образования, а спектр их излучения линейчатый, а не сплошной.

§ 5. 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 2 постулата:

I.Атомы и атомные системы могут длительное время находиться в определенных состояниях, называемых стационарным, при этом атом не изучает и не поглощает энергию. Энергии стационарных состояний образуют дискретный ряд Е₁, Е₂, Е₃.

II. Атомы изучают или поглощают энергию при переходе из одного стационарного состояния в другое, при этом квант излучаемой ими 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 Франка и Герца.

В трубке, заполненной парами ртути при малом давлении имеются 3 электрода – катод, сетка, анод.

Электроны, вылетающие и катода за счет термоэлектронной эмиссии, разгоняются в электрическом поле между катодом и сеткой, приобретая энергию .

Между сеткой и анодом создается слабое электрическое поле , тормозящее движение электронов.

С помощью гальванометра определяют зависимость тока в цепи от напряжения U₁. Получили следующую кривую:

Максимумы тока наблюдаются при U₁=4,9 ;9,8;14,7 и т.д. Это объясняется тем, что атомы ртути могут находится только в состоянии с энергиями E₁, Е₂, Е₃, и т.д., а воспринимают энергию DЕ=Е₂–Е₁.

В данном случае DЕ=4,9эВ (электронвольт). Пока энергия электрона ,соударения электронов с атомами упругие, т.е. электрон при соударении не теряет энергию. Поэтому он преодолевает тормозящее поле и долетает до анода (ток растет).

При , его соударение с атомом неупругое.

Электрон отдает энергию атому и не может преодолеть тормозящее поле. Ток падает.

Атом ртути пи 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 .

Длина волны, соответствующая этой частоте составляет , что подтверждается опытами.