Фізика 11 клас. Історія вивчення атома.

1.Будова атома

1.1. Модель атома Томсона

До 1902 р. було здійснено достатньо експериментів, які переконливо довели, що електрон є однією з основних складових частин будь-якої речовини.

 

Джозеф Джон Томсон показав на основі класичної електромагнітної теорії, що розміри електрона повинні бути близько 10−15м.

Крім того, було відомо, що розміри атомів становлять кілька ангстрем (один ангстрем дорівнює 10−10м). На цій підставі Томсон1903 р. запропонував модель атома, відповідно до якої атоми являють собою однорідні кулі з позитивно зарядженої речовини, у якій перебувають електрони.

 

Сумарний заряд електронів дорівнює позитивному заряду атома. Тому атом загаломелектрично нейтральний. Ця модель одержала назву «пудинг», тому що електрони буливкраплені в позитивно заряджене середовищеподібно до родзинок у пудингу.

Відхилення електрона в атомі від положення рівноваги призводить до виникнення повертальної сили. Тому електрон, виведений у певний спосіб з положення рівноваги, здійснює коливання,а тому є джерелом електромагнітного випромінювання.

Модель Томсона здавалася привабливою з того погляду, що передбачала наявність електронів в атомі. Однак вона проіснувалатільки до 1911 року.

 

1.2. Досліди Резерфорда

Резерфорд запропонував своїм співробітникам експериментально перевірити заможність моделі атома Томсона. Ідея дослідубула проста. Якщо модель атома Томсона відповідає дійсності, то,пропускаючи через дуже тонку металеву плівку вузький пучокшвидких α-частинок, експериментатори не повинні виявитискільки-небудь помітного відхилення цих частинок.

Резерфорд установив, що кожна α-частинка, потрапляючи наекран із сірчистого цинку, спричиняє спалах світла. Розсіявшисьу золотій фользі, α-частинки потрапляли потім на екран, і їх потімреєстрував мікроскоп.Варто було сподіватися, що пучок α-частинок під час проходження через тонку фольгу злегка розпливеться на незначні кути.

Таке розсіювання на малі кути дійсно спостерігалося, але зовсімзненацька виявилося, що приблизно одна α-частинка з 20 000, щопадають на золоту фольгу завтовшки всього лише 4·10−5 см , повертається назад, у бік джерела.

Резерфорду знадобилося кілька років, щоб остаточно зрозумітинастільки несподіване розсіювання α-частинок на великі кути.

Він дійшов висновку, що позитивний заряд атома зосередженийу дуже малому об’ємі в центрі атома, а не розподілений по всьомуатомі, як у моделі Томсона.

 

1.3. Планетарна модель атома

Резерфорд зумів визначити розмір атомного ядра. І виявилося,що атомне ядро в десятки тисяч разів менше за власне атом: розмірядра — близько 10−14 −10−15 м, в той час як розмір атома — близько10−10 метрів.

 

Ґрунтуючись на своїх дослідах і розрахунках, Резерфорд запропонував планетарну модель атома:

Подібність атома до Сонячної системи посилювалося тим, що закон Кулона, що «керує» рухом електронів, збігається за формою іззаконом всесвітнього тяжіння, що «керує» рухом планет: і в тому,і в іншому випадку сила обернено пропорційна квадрату відстані.

 

 

1.4. Недоліки планетарної моделі атома

Попри всю переконливість планетарної моделі виникав цілийряд нездоланних труднощів під час пояснення будови атома. Відповідно до класичної теорії, система, що складається з масивного позитивно зарядженого ядра й легких, негативно зарядженихелектронів, може бути стійкою тільки в тому випадку, коли електрони перебувають у русі. Таким чином, атом мав бути подібним домініатюрної Сонячної системи, у якій роль Сонця відіграє ядро, апланет — електрон.

Аналогія була б досить повною (адже електричні й гравітаційнісили залежать від відстані, як 1/r2 ), якби не одне передбаченнякласичної теорії, відповідно до якого електричні заряди, що прискорено рухаються, повинні випромінювати енергію у виглядіелектромагнітних хвиль. Тому електрони, рухаючись по «планетарних» орбітах,повинні були б під час випромінюваннявтрачати енергію руху й у результатішвидко наближатися до ядра. Розрахунки показували, що електрон в атомі Гідрогену має випромінювати всю свою енергію за малу частку секунди. Однак в атоміцього не відбувається.

З іншого боку, якби електрони рухалися навколо ядра подібно до планет навколо Сонця, то кожний атом був би єдиним у своєму роді, тому що, відповідно докласичної механіки, кожний електрон міг би рухатися за кожноюз нескінченної кількості орбіт. І тому мала б спостерігатися нескінченна розмаїтість атомів того самого хімічного елемента.

Таким чином, в «атомних масштабах» суперечить досвіду нетільки класична електродинаміка, але й класична механіка —основа основ всієї класичної фізики.

 

2.Теорія атома Бора

2.1. Квантові постулати Бора

Данський фізик Нільс Бор доповнив планетарну модель атомаположеннями, які мали усунути недоліки цієї моделі.

Міркуючи над проблемою стійкості планетарного атома, Борпереконався, що «це питання просто неможливо вирішити за допомогою вже відомих правил». Бор зрозумів, що не всі закони класичної фізики придатні до явищ атомних масштабів і що для описувластивостей атомів потрібна нова — квантова — теорія.

Після декількох місяців роботи Бор 1913 року опублікувавсвою квантову теорію атома. Основу цієї теорії становлятьпостулати Бора.

1. Атомна система може перебувати тільки в певних (стаціонарних або квантових) станах, кожному з яких відповідає певнаенергіяEn. У стаціонарному стані атом не випромінює.

2. Під час переходу атома з одного стаціонарного стану в іншийвідбувається випущення або поглинання кванта електромагнітної енергії. Енергія кванта дорівнює різниці енергій стаціонарних станів: .

Із другого постулату Бору випливає, що атом може випромінювати й поглинати світло тільки з певними значеннями частот, яківизначаються формулою. Це так зване «правилочастот».

Якщо електрон перескакує на іншу орбіту, на якій його енергіяменше, то куди подінеться надлишок енергії? Адже зникнути, перетворитися в ніщо енергія не може. «Шукайте її поза атомом!» —заявляє Бор. Вона виділяється з атома у вигляді кванта. Того самого кванта світлової енергії, що був уведений Планком, а електрон,що випромінив, рухається по орбіті, тепер уже іншій, і знову не випромінює.

Атом може не тільки випромінювати, але й поглинати фотони: під час поглинання фотона електрон в атомі переходить зістаціонарної орбіти з меншою енергією на орбіту з більшою енергією. Коли електрони в атомі перебувають на стаціонарних орбітах з найменшою можливою енергією, говорять, що атом перебуває в основному стані. Всі інші стани атома називаютьсязбудженими.

 

2.2. Наслідки постулатів Бора

Постулати Бора довели, що джерелом світла є збуджений атом.

Світло генерується під час переходу атома з одного збудженого стану в інший. Частота генерованого світла пропорційна ΔE, світловипромінюється й поглинається у вигляді квантів.

Подібність атомів того самого хімічного елемента пояснюєтьсяв теорії Бора тим, що у всіх атомах даного елемента стаціонарні орбіти електронів ті самі.

Найбільший успіх теорія Бору мала стосовно атома Гідрогену,для якого виявилося можливим побудувати кількісну теорію. Однак уже для наступного за складністю атома — атома Гелію — домогтися кількісної узгодженості з дослідом не вдалося, не кажучивже про складніші атоми.

Подальший розвиток фізики довів, що труднощі теорії Борабули пов’язані з її внутрішньою суперечливістю, тому що в нійпоєднувалися закони класичної фізики й суперечні їм постулатиБора.

 

2.3. Спектральний аналіз

Явище дисперсії використовують у науці й техніці для визначення складу речовини, тобто проведення спектрального аналізу.

В основі цього методу лежить вивчення світла, випромінюваногоабо поглинутого речовиною.

Спектральним аналізомназивають метод вивчення хімічного складу речовини, заснований на дослідженні його спектрів.

Для одержання й дослідження спектрів використовують спектральні апарати. Найбільш прості спектральні прилади —призмайдифракційна решітка. Більш точні —спектроскопіспектрограф.

 

Спектроскопомназивається прилад, за допомогою якого візуально досліджується спектральний склад світла, яке випускає певне джерело.

Якщо реєстрація спектра відбувається на фотопластинці, топрилад називаєтьсяспектрографом.

Накалені тверді й рідкі тіла й гази (за великого тиску) випромінюють світло, розкладання якого дає суцільний спектр, у якомуспектральні кольори безупинно переходять один в одний.

Суцільні спектри однакові для різних речовин, і тому їх не можна використовувати для визначення складу речовини.

Збуджені атоми розріджених газів або пар випромінюють світло, розкладання якого дає лінійчастий спектр, що складаєтьсяз окремих кольорових ліній. Кожний хімічний елемент має характерний для нього лінійчастий спектр. Атоми таких речовин не взаємодіють один з одним і випромінюють світло тільки певних довжин хвиль.

Ізольовані атоми певного хімічного елемента випромінюютьстрого визначені довжини хвиль. Це дозволяє за спектральними лініями судити про хімічний склад джерела світла.

Випромінювання ізольованих атомів певного хімічного елемента маєстрого визначені довжини хвиль.

Положення спектральних ліній лінійчастого спектра не залежить від того, якою є причина світіння газу:

нагрівання;

пропущення електричного струму й т. ін.

Розглянуті спектри називають спектрами випромінювання.

Але існують ще спектри поглинання. Щоб їх спостерігати, необхідно пропустити світло з безперервним спектром через холодний атомарний газ. Наявність темних ліній у спектрі свідчить, що відповідні світлові хвилі газ поглинає.

Атоми поглинають випромінювання лише тих довжин хвиль, які вониможуть випускати за даної температури.

Під час спектрального аналізу спектральні лінії порівнюють зіспектральними лініями певного хімічного елемента. Якщо відповідні довжини хвиль збігаються, це свідчить про наявність даного хімічного елемента в досліджуваному об’єкті. За інтенсивністюспектральних ліній можна визначити кількість даного хімічногоелемента.

Перевага спектрального аналізу — швидкість, висока чутливість (можна виявити домішки масою 10−10 г ), можливість провести аналіз об’єкта на великій відстані від нього.

За допомогою спектральних методів було відкрито нові хімічніелементи (гелій, рубідій, цезій і т. ін.), здійснено хімічний аналізСонця й далеких зір. Спектральний аналіз застосовують у металургії, машинобудуванні, криміналістиці, для контролю складу напівпровідникових матеріалів.

 

 

 

 

2.4. Атомні спектри й теорія Бора

Постулати Бора пояснюють походження лінійчастих спектрів і їх закономірності. Фізики до появи теорії Бора ламали голову, намагаючись розшифрувати складніспектри.

 

Коли НільсБор довів, що «спектр —це біографія атомів, точніше атомних електронів», ученим полегшало. Комбінуючирізні орбіти електронів в атомі, можна обчислити всі спостережувані лінії в спектрі.

Сполучаючи положення класичної фізики зі своїми постулатами, Нільс Бор зумів обчислити енергетичні рівні електронав атомі гідрогену й, використовуючи співвідношеннячастоти випромінювання світла атомом Гідрогену, тобто знайтивид лінійчастого спектра випромінювання.

Обчислений Бором спектр атома Гідрогену збігся з раніше вимірюваним спектром, причому не тільки в області видимого світла, але й в області ультрафіолетового та інфрачервоного випромінювання.