Краткий курс лекций по физике Кузнецов Сергей Иванович доцент к. ОФ ЕНМФ ТПУ Сегодня: четверг, 9 мая 2013 г.

Тема 1. Модели атомов. Атом водорода по теории Бора Закономерности в атомных спектрах Ядерная модель атомов Элементарная теория Бора Опыт Франка и Герца. х

1.1. Закономерности в атомных спектрах. х Итак, что же такое атом? Изолированные атомы в виде разреженного газа или паров металлов испускают спектр, состоящий из отдельных спектральных линий (линейчатый спектр). Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов. Прежде всего было замечено, что линии в спектрах расположены не беспорядочно, а сериями. Расстояние между линиями в серии закономерно уменьшается по мере перехода от длинных волн к коротким.

Линейчатые спектры излучения в видимой области: водород, ртуть, неон. Спектр поглощения водорода. Дискретность, квантованность спектров излучения свидетельствует о дискретности процессов, приводящих к их появлению.

Швейцарский физик Й. Бальмер в 1885 году установил, что длины волн серии в видимой части спектра водорода могут быть представлены формулой (формула Бальмера): х 0 = const, n = 3, 4, 5,… В физике постоянной Ридберга называют и другую величину равную R = R ·с. R = 3,29·10 15 c -1 R = 1,09·10 7 м -1 – постоянная Ридберга, n = 3, 4, 5,… или

Дальнейшие исследования показали, что в спектре водорода имеется еще несколько серий: х Серия Лаймонаn = 2, 3, 4,… Серия Пашенаn = 4, 5, 6,… Серия Брэкетаn = 5, 6, 7,… Серия Пфундаn = 6, 7, 8,…

Обобщенная формула Й. Бальмера где k = 1, 2, 3,…, n = k + 1, k + 2,…. или

Атом сложная система, имеющая сложный спектр х Видимая область Инфракрасная обл. Ультрафиолетовая обл.

В то время учеными рассматривались многие модели атомов Рисунок 1.2

«То, что внизу, подобно тому, что вверху»

Планетарная модель строения атома

Конец ХIХ - - начало ХХ века

1895- открытие Х- лучей Рентгеном открытие радиоактивности Беккерелем

основание ТПУ! открытие электрона

Физики «отобрали» атом у химиков

Были предложены различные модели строения атома

«То, что находится внизу, подобно тому, что находится вверху» Гермес Тримегист (древний Египет)

Модель Ж. Перрена (1901)

Модель Х. Нагаока (1904)

х В 1903 году Дж. Дж. Томсон, предложил модель атома: сфера, равномерно заполненная положительным электричеством, внутри которой находятся электроны (рисунок 1.2, а). Суммарный заряд сферы равен заряду электронов. Атом в целом нейтрален. Теория такого атома давала, что спектр должен быть сложным, но никоим образом не линейчатым, что противоречило экспериментам.

Модель Дж.Дж Томсона (1904)

Какая из моделей верна?

Планетарная модель строения атома

Рис. 19. а – традиционный символ атома; б – боровская модель водородоподобного атома

Своими фундаментальными открытиями в этих областях заложил основы современного учения о радиоактивности и теории строения атома. В 1899 г. открыл альфа - и бета-лучи. Вместе с Ф. Содди в 1903 г. разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений. В 1903году доказал, что альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц. Предсказал существование трансурановых элементов. В 1908 г. ему была присуждена Нобелевская премия. Резерфорд Эрнест (1871–1937) – английский физик, основопо- ложник ядерной физики. Исследования посвящены атомной и ядерной физике, радиоактивности.

RUTHERFORD Ernest, Lord of NELSON ( )

х 1.2. Ядерная модель атома (модель Резерфорда). Скорость – частиц = 10 7 м/с = 10 4 км/сек. – частица имеет положительный заряд равный +2е. Схема опыта Резерфорда Рассеянные частицы ударялись об экран из сернистого цинка, вызывая сцинтилляции – вспышки света. Количество вспышек в темноте фиксировалось через микроскоп

Большинство α-частиц рассеивалось на углы порядка 3° Отдельные α-частицы отклонялись на большие углы, до 150º (одна из нескольких тысяч) Такое отклонение возможно лишь при взаимодействии практически точечного положительного заряда – ядра атома – с близко пролетающей α-частицей.

Малая вероятность отклонения на большие углы свидетельствует о малых размерах ядра : 99,95% массы атома сосредоточено в ядре м м

Движение α-частицы происходит по гиперболе: Угол рассеяния равен углу между асимптотами гиперболы m – масса α-частицы, v – ее скорость вдали от ядра; Ze – заряд ядра; b – прицельный параметр.

Дифференциальное сечение рассеяния – отношение числа частиц, рассеянных атомом в единицу времени в телесный угол dΩ, к интенсивности падающих частиц. Частицы с разными прицельными параметрами отклоняются на разные углы. - формула Резерфорда

м Радиус ядра R (10 14 ÷ )м и зависит от числа нуклонов в ядре.

Альфа - частица Атом золота ?

Сравним силы взаимодействия двух положительно заряженных частиц в разных моделях

F F

С помощью компьютера...

Однако, планетарная модель была в явном противоречии с классической электродинамикой: электрон, двигаясь по окружности, т.е. с нормальным ускорением, должен был излучать энергию, следовательно, замедлять скорость и упасть на ядро. Т.о. модель Резерфорда не могла объяснить, почему атом устойчив Планетарная модель атома

Планетарная модель атома противоречит электродинамике Максвелла!!!

Согласно теории Максвелла, ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны.

При движении по окружности имеется центростремительное ускорение. Поэтому электрон должен терять энергию на электромагнитное излучение и падать на ядро.

… излучать и падать...

Нестабильный атом?! Падать на ядро!

Попыткой спасения планетарной модели атома стали постулаты Н. Бора

х 1.3. Элементарная теория Бора. БОР Нильс Хендрик Давид (1885– 1962) – Выдающийся датский физик- теоретик, один из создателей современной физики. Сформулировал идею о дискретности энергетических состояний атомов, в свете новых идей построил атомную модель, открыв условия устойчивости атомов, и объяснил большой круг явлений. Создал первую квантовую модель атома, основанную на двух постулатах, которые прямо противоречили классическим представлениям и законам. Бор много сделал для развития ядерной физики. Он – автор теории составного ядра, один из создателей капельной модели ядра и теории деления атомного ядра.

1. Атом следует описывать как «пирамиду» стационарных энергетических состояний. Пребывая в одном из стационарных состояний, атом не излучает энергию.

2. При переходах между стационарными состояниями атом поглощает или излучает квант энергии. При поглощении энергии атом переходит в более энергетическое состояние.

ЕnЕnЕnЕn E m > E n Поглощение энергии

ЕnЕnЕnЕn E m > E n Излучение энергии

Теория Бора

1. Электроны движутся только по определенным (стационарным) орбитам. При этом не происходит излучения энергии. Постулаты Бора Постулаты Бора n = 1, 2, 3,… главное квантовое число. m e v r = nħ Условие для стационарных орбит: из всех орбит электрона возможны только те, для которых момент импульса электрона, равен целому кратному постоянной Планка:

2. Излучение или поглощение энергии в виде кванта энергии h происходит лишь при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Световой квант равен разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается квантовый скачок электрона: m, n – номера состояний. - Правило частот Бора ЕnЕnЕnЕn EmEmEmEm Поглощение энергии ЕnЕnЕnЕn EmEmEmEm Излучение энергии hv = E m – E n

х Уравнение движения электрона получим из равенства центробежной силе кулоновской силе: =>=> Отсюда найдем радиус стационарных орбит: m e υr = nħ

Радиус первой орбиты водородного атома называют Боровским радиусом: При n =1, Z = 1 для водорода имеем: х = 0,529·10 –10 м. Å=

Внутренняя энергия атома слагается из кинетической энергии электрона и потенциальной энергией взаимодействия электрона с ядром: х Отсюда видно, что: энергия электрона может принимать только дискретные значения, т.к.n = 1, 2, 3,… Отсюда

х Видимая область Инфракрасная обл. Ультрафиолетовая обл.

При переходе электрона в атоме водорода из состояния n в состояние k излучается фотон с энергией : х и частота излучения, Мы получили обобщенную формулу Бальмера, которая хорошо согласуется с экспериментом, где постоянная Ридберга

Серьезным успехом теории Бора явилось: вычисление постоянной Ридберга для водородоподобных систем и объяснение структуры их линейчатых спектров. Бору удалось объяснить линии спектра ионизованного гелия.

n , нм

H H H H

Бор теоретически вычислил отношение массы протона к массе электрона m p /m e = 1847, это находится в соответствии с экспериментом. Все это было важным подтверждением основных идей, содержащихся в теории Бора. Теория Бора сыграла огромную роль в создании атомной физики. В период ее развития (1913 – 1925 г.г.) были сделаны важные открытия, навсегда вошедшие в сокровищницу мировой науки. х

«Портрет» атома радия ( Н. Бор, 1925 )

х Однако наряду с успехами в теории Бора с самого начала обнаружились существенные недостатки. Главнейшее – внутренняя противоречивость теории: механическое соединение классической физики с квантовыми постулатами. Теория не могла объяснить вопрос об интенсивностях спектральных линий. Серьезной неудачей являлась абсолютная невозможность применить теорию для объяснения спектров гелия (He) (два электрона на орбите, и уже теория Бора не справляется).

Аналогия теории Бора как слияния двух описаний микромира (Feline)

х Стало ясно, что теория Бора является лишь переходным этапом на пути создания более общей и правильной теории. Такой теорией и являлась квантовая (волновая) механика.

Дальнейшее развитие квантовой механики привело к отказу от механической картины движения электрона в поле ядра.

х 1.4. Опыт Франка и Герца. Существование дискретных энергетических уровней атома и доказательство правильности теории Бора подтверждается опытом Франка и Герца. Немецкие ученые Джеймс Франк и Густав Герц, за экспериментальные исследования дискретности энергетического уровня получили Нобелевскую премию в 1925 г.

В трубке, заполненной парами ртути при давлении р 1 мм рт. ст., три электрода, катод – сетка – анод. Электроны ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. х Между сеткой и анодом тормозящее поле ( 0,5В)

х Зависимость тока через гальванометр (Г) от разности потенциалов между катодом и сеткой (U): U = 4,86 – соответствует 1-му потенциалу возбуждения

Такой ход кривой объясняется тем, что вследствие дискретности энергетических уровней атомы ртути могут воспринимать энергию бомбардирующих электронов только порциями: либо Е 1, Е 2, Е 3 … - энергии 1-го, 2-го и т.д. стационарных состояний. при увеличении U вплоть до 4,86 В ток I возрастает монотонно, при U = 4,86 В ток максимален, затем резко уменьшается и возрастает вновь. дальнейшие максимумы тока наблюдаются при U = 2·4.86 B, 3·4.86 B...

При U < 4,86 В энергия электронов меньше ΔЕ 1 ; соударения между электронами и атомами ртути носят упругий характер. При U = 4,86 В энергия электрона становится достаточной, чтобы вызвать неупругий удар, при котором электрон отдает атому ртути энергию ΔЕ 1 и продолжает двигаться с меньшей скоростью; число электронов, достигающих А, резко уменьшается и ток падает атом ртути переходит в возбужденное состояние. При U, кратном 4,86 В электроны могут испытывать с атомами ртути 2, 3, … неупругих соударения, теряя при этом полностью свою энергию. анодный ток каждый раз резко уменьшается.

Атомы ртути, получившие при соударении с электронами энергию ΔЕ 1 и перешедшие в возбужденное состояние, спустя время ~ с должны вернуться в основное состояние, излучая, согласно второму постулату Бора фотон с частотой (правило частот): -что соответствует ультрафиолетовому излучению. При этом длина волны светового кванта: Опыт действительно обнаруживает ультрафиолетовую линию с

Таким образом, опыты Франка и Герца экспериментально подтвердили не только первый, но и второй постулат Бора. Эти опыты сыграли огромное значение в развитии атомной физики.