Поскольку свет излучается и поглощается атомами вещества, то возникает вопрос
: какая структура атомов обеспечивает дискретный (квантовый) характер указанных процессов? Впервые конструктивный ответ на этот вопрос дал Резерфорд (1911), исследуя рассеяние-частиц на тонких (толщина ? 1 мкм) металлических пленках (фольга).
Центрированный диафрагмы 2 пучок ?-частиц от источника 1 рассеивался фольгой 3 под разными углами ? от - ? к ?. Количество ?-частиц (? n), рассеянных под фиксированными углами, регистрировалась приемником 4, который мог перемещаться по кругу вокруг центра фольги. Было установлено:
а) большинство ?-частиц, проходя через фольгу, практически не рассеивается;
б) хорошо выполняется теоретически предполагаемое соотношение
в) определенная, хотя и незначительное, количество ?-частиц рассеивается под углами, близкими.
Анализ результатов эксперимента позволил Резерфорду предложить ядерную модель атома, согласно которой в центре атома расположено положительно заряженное ядро, обладающее массой, примерно равной массе атома. Вокруг ядра движутся электроны. Если в нейтральном атоме Z электронов, где Z - порядковый номер элемента в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева, то заряд ядра, где - элементарный заряд. В рамках этой модели понятно, что вероятность лобового столкновения ?-частицы с ядром, которое обеспечивает рассеяние на углы ? ?, очень мала. Электроны же в силу незначительного количества рассеивать ?-частицы не могут.
Так, в соответствии с теоремой Ирншоу, невозможна устойчивая статическая конфигурация электрических зарядов, то атом должен быть динамичной системой, т.е. электроны должны двигаться вокруг ядра по замкнутых (круговых или эллиптических) орбитах. Такое движение является ускоренным, и электрон с точки зрения классической физики должен терять энергию, излучая электромагнитные волны, и поэтому упасть на ядро. Но, как известно, атом - устойчивая конфигурация электрических зарядов. И поэтому, принимая ядерную модель атома, нужно отказаться от классического описания орбитального движения электронов.
Развивая предложенную модель, в 1913 г. Н. Бор выдвинул гипотезу в виде следующих постулатов: а) из всех возможных механических состояний (орбит) электрона в атоме осуществляются только такие, для которых момент импульса орбитального движения электрона кратный к постоянной Планка h, т.е.
где - квантовое число состояния (номер орбиты), а - постоянная Дирака; такие состояния называются стационарными;
б) находясь в стационарном состоянии, электрон атома не излучает и не поглощает энергии;
в) при переходе из одного стационарного состояния в другое электрон излучает или поглощает квант света с энергией, равной разности энергий этих состояний, т.е.
Итак, основная идея постулатов Бора заключается в квантовании (дискретности) механических характеристик движения электронов: момента импульса, энергии и т.д.. Ииллюстрирует наличие стационарных квантовых состояний (энергетических уровней) с энергиями да и излучающие и поглощающие переходы между ними: уменьшение энергии электрона сопровождается излучением кванта света (фотона) с энергией; поглощения кванта света с энергией обеспечивает увеличение энергии электрона от до. В этой модели излучения (поглощения) квантов света с энергией невозможно.
Предложенная теория впервые была применена к воднеподибних атомов и т.д.), в которых вокруг ядра, заряд которого движется по круговой орбите радиусом r только один электрон. При этом ядро считается неподвижным. Рассматривая электрон как классическую материальную точку, энергию атома запишем как сумму кинетической и потенциальной энергий электрона в кулоновском поле ядра
Загрузка...