16. Атом. Атомное ядро.

16.
Атом. Атомное ядро.
Строение атома. Постулаты Бора. Схема энергетических уровней атома
Толчком к подробному изучению строения атома послужили:
открытие рентгеновского излучения (1895 г., В.К. Рентген);
открытие радиоактивности и новых радиоактивных элементов (1896 г., А. Беккерель, М. и П. Кюри);
открытие электрона (1896 г., Дж. Дж. Томсон).
Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В. Вебером в 1896 г., развил X. Лоренц: электроны
входят в состав атома. Опираясь на эти открытия, Дж. Томсон в 1898 г. предложил модель атома
в виде положительно заряженного шара радиусом 10-10м, в котором плавают электроны,
нейтрализующие положительный заряд.
Экспериментальная проверка модели Томсона была осуществлена в 1911г. английским
физиком Э. Резерфордом.
Идея опыта заключалась в изучении рассеяния α-частиц (заряд +2е, масса 6,64·10-27кг)
на атомах. α -частицы были выбраны, т.к. их кинетическая энергия много больше кинетической
энергии электронов (β-лучи) и, в отличие от γ-лучей они имеют электрический заряд.
Пучок α-частиц пропускался через тонкую золотую фольгу. Золото было выбрано как очень пластичный
материал, из которого можно получить фольгу толщиной практически в один атомный слой. Опыты были повторены и на
других материалах.
Э. Резерфорд и его помощники обнаружили, что какая-то часть α-частиц отклоняется на довольно значительный
угол от своего первоначального направления, а небольшая часть отражается от
фольги. Но согласно модели атома Томсона эти α-частицы при взаимодействии с
атомами фольги отклоняются на малые углы, порядка 2°.
Резерфорд показал, что его опыты находятся в противоречии с моделью
Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему
атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное
электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле
однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля
по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома,
уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая
на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз. Следовательно,
при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать
рассеяние на большие углы вплоть до 180° (рисунок иллюстрирует
рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.). Эти
соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в
малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Обобщая результаты своих опытов, Резерфорд
предложил ядерную (планетарную) модель строения атома:
1. Атом имеет ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома (~ 10-15 м).
2. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома и весь его положительный заряд.
3. Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему атома и компенсирует положительный
заряд ядра.
Расчеты показали, что α-частицы, которые взаимодействуют с электронами в веществе, почти не отклоняются.
Только некоторые α -частицы проходят вблизи ядра и испытывают резкие отклонения. Если между зарядами
действует кулоновская сила
или потенциальная энергия системы α-частица - ядро
и
,
то α-частица будет отброшена назад.
При расчете учитывают, что qα=2e, где e - заряд электрона; qя=Ze, где Z - зарядовое число, равное количеству
электронов в атоме; диаметр ядра 10-15 - 10-14 м, атома 10-10 м.
Однако предложенная модель строения атома не позволила объяснить устойчивость атома:
ускоренное движение электрона согласно теории Максвелла сопровождается электромагнитным
излучением, поэтому энергия электрона уменьшается, и он движется по спирали, приближаясь к ядру.
Казалось бы, электрон должен упасть на ядро (расчет показывает, что это должно произойти за 10 -8 с),
так как при движении по спирали уменьшается энергия электрона, в действительности же атомы
являются устойчивыми системами;
спектр излучения при этом должен быть непрерывным (должны присутствовать все длины волн). На
опыте спектр получается линейчатым;
нет ответа на вопрос о строении ядра. Если в него входят только положительные частицы, то почему они
не отталкиваются?
ПОСТУЛАТЫ БОРА
Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома в 1913 году сделал выдающийся датский физик
Н. Бор. Проанализировав всю совокупность опытных фактов, Бор пришел к выводу, что при описании поведения атомных
систем следует отказаться от многих представлений классической физики. Он сформулировал постулаты, которым
должна удовлетворять новая теория о строении атомов.
1.
Атомная система может находиться только в особых стационарных квантовых состояниях, каждому
из которых соответствует определенная энергия Еn . В стационарном состоянии атом не излучает.
Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых
соответствует определенному стационарному состоянию. Механическая энергия электрона, движущегося по замкнутой
траектории вокруг положительно заряженного ядра, отрицательна. Поэтому всем стационарным состояниям
соответствуют значения энергии En < 0. При En ≥ 0 электрон удаляется от ядра, т. е. происходит ионизация. Величина |E1|
называется энергией ионизации. Состояние с энергией E1 называется основным состоянием атома.
Энергетические уровни атома и
условное изображение процессов
поглощения и испускания фотонов
2.
При переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с
меньшей энергией En излучается квант энергии:
hνkn = Ek - En
где h – постоянная Планка. Отсюда можно выразить частоту излучения
Теория Бора при описании поведения атомных систем не отвергла полностью законы классической физики. В ней
сохранились представления об орбитальном движении электронов в кулоновском поле ядра. Классическая ядерная модель
атома Резерфорда в теории Бора была дополнена идеей о квантовании электронных орбит. Поэтому теорию Бора иногда
называют полуклассической.
В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность перехода атома с высшего энергетического состояния в низшее
под влиянием внешнего воздействия. Такое излучение называется вынужденным излучением и лежит в основе работы
лазеров.