Лекции по физике

ФИЗИКА АТОМА

1.Опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц. Ядерная модель атома

2.Закономерности в спектре атома водорода

3.Элементарная теория атома водорода (теория Н.Бора)

4.Опыты Франка и Герца.

5.Атом водорода с точки зрения квантовой механики

6.Пространственное квантование (магнитное квантовое число)

7.Опыт Штерна и Герлаха. Спин электрона

8.Принцип Паули. Электронные оболочки атомов

9.Заполнение электронных оболочек. Периодическая система элементов Д.И.Менделеева

241

1. Опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц. Ядерная модель атома

В 1903 году Дж. Дж. Томсон, предложил модель атома: сфера, равномерно заполненная положительным электричеством, внутри которой

	находятся электроны (рис. 1).		Суммарный		заряд
		такой сферы равен нулю. Атом в
		целом нейтрален. Из теории такого
		атома следовало, что спектр его
		излучения	должен		быть
	Рис. 1	сплошным,	но	никак	не ли-
		нейчатым, а	это	противоречило

экспериментальным наблюдениям242 .

Другая модель атома была предложена Резерфордом на основе изучения рассеяния α-частиц на чрезвычайно тонкой фольге из золота (рис. 2).

Рис. 2

Энергия α-частиц, излучаемых источником, ~ 5 МэВ.

243

Узкий пучок α-частиц испускался радиоактивным веществом и попадал на фольгу. При прохождении через фольгу α-частицы отклонялись на различные углы. Рассеянные частицы ударялись об экран, покрытый ZnS и вызываемые им вспышки света, сцинцилляции, наблюдались в микроскоп. Микроскоп и связанный с ним экран можно было вращать вокруг оси, проходящей через центр фольги, т.е. можно было всегда измерить угол отклонения α-частиц . Весь прибор помещался в откачиваемый объем, чтобы устранить рассеяние α-частиц за счет столкновений с молекулами воздуха. 244

Обнаружилось, что некоторые α-частицы отклонялись на большие углы, до 180º. Резерфорд понял, что такое отклонение возможно лишь при встрече с положительно заряженной частицей большей массы. А малая вероятность отклонения на большие углы указывала на то, что эта положительная частица имеет малые размеры (~10–15 м). Электроны, по мнению Резерфорда, движутся вокруг ядра.

Но такая модель была в явном противоречии с классической электродинамикой, т.к. электрон, двигаясь по окружности, т.е. с нормальным ускорением, должен был излучать энергию, следовательно, замедлять скорость и упасть на ядро. Таким образом, модель Резерфорда на могла

245

объяснить, почему атом устойчив.

Рис. 3. Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (а) и в атоме Резерфорда (b).

Ядерная модель атома Рис. 4 Резерфорда. Показаны круговые

орбиты четырех электронов.

246

2. Закономерности в спектре атома водорода

Из опыта было известно, что атомы в виде разреженного газа или паров металлов испускают спектры, состоящие 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. 247

Швейцарский физик Й.Бальмер в 1885 году, исследуя спектр атомов водорода, установил, что длины волн в видимой части спектра излучения водорода могут быть представлены формулой:

λ = λ0	n2
			, λ0 = const, n = 3, 4, 5,…	или	(1)
	n2
		− 4

	1		1			1
											1		1
		= R'			−				или	ν = R		−			(2)
	λ		2	2		n	2
													n2
										22

R′ = 1,09·107 м-1 – постоянная Ридберга, n = 3, 4, 5,…

В физике постоянной Ридберга называют и другую величину равную R = R′·с.

248

R = 3,29·1015c-1

Дальнейшие исследования показали, что в спектре водорода имеется еще несколько серий спектральных линий:

				1								1
Серия Лаймана	ν = R								−										n = 2, 3, 4,…
						2							n		2
				1
Серия Пашена	ν = R			1					−	1									n = 4, 5, 6,…
				32									n2
Серия Брэкета	ν = R			1					−				1						n = 5, 6, 7,…
				42									n2
				1								1
Серия Пфунда	ν = R								−										n = 6, 7, 8,…
						2								2
				5									n						249

Изучая спектр атома водорода в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, была представлена обобщенная формула спектральных линий водорода, получившая название - формула Бальмера-Ридберга.

ν =

1

−

1

1

=

1

−

1

k 2

n2

λ

k 2

n2

R

или

R'

(3)

где k = 1, 2, 3,…,

n = k + 1, k + 2,….

250