Председатель совета а.Д.Семенов Изучение спектра излучения атомарного водорода
1 Цель работы Знакомство с планетарной и квантовой моделями атома при моделировании процесса испускания электромагнитного излучения возбужденными атомами водорода.
Экспериментальное подтверждение закономерностей формирования линейчатого спектра излучения атомарного водорода при низких давлениях.
Экспериментальное определение постоянной Ридберга.
2 Оборудование: компьютерный класс, пакет прикладных программ для поддержки лабораторного практикума компании ООО «ФИЗИКОН» «Виртуальный практикум для ВУЗов».
3 Содержание работы
Изучение теоретического материала, с использованием конспекта лекций и учебника.
Запуск программы: выбрать «Квантовая физика» и «Постулаты Бора». Ознакомление с краткими теоретическими сведениями программы. Запись необходимого в конспект.
Отметить маркером мыши уровень энергии электрона с номером n0, указанным в таблице 2 для вашей бригады.
Наблюдение и зарисовывание модели атома водорода (в левом верхнем поле), а также стрелок в правом поле и отметки в нижнем поле, соответствующих линиям в данной серии.
Запись в таблицу 1 величины главного квантового числа n0 для нижнего уровня энергии данной серии, названия серии и длины волн отдельных линий.
Вычисление и запись в таблицу 1 обратных длин волн.
Определите, переходу между какими квантовыми состояниями электрона в атоме водорода соответствует каждая линия излучения. Запись в таблицу значения n.
Построение графика зависимости обратной длины волны (1/) от обратного квадрата главного квантового числа (1/n2) для данной спектральной серии.
Определение по наклону графика значение постоянной Ридберга
Оформление отчета.
Краткие теоретические сведения
4.1 Открытие сложного строения атома — важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц — законы квантовой механики.
Английский физик Эрнест Резерфорд исследовал рассеяние -частиц веществом и открыл в 1911г. атомное ядро - массивное образование, в несколько тысяч раз меньшее по размеру, чем атом.
4.2 Модель Томсона. Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом - атом водорода — представляет собой положительно заряженный шар радиусом около 10-8 см, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны.
Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения положительного заряда в атоме. Эти опыты, произведённые впервые Э. Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании строения атома.
4.3 Опыты Резерфорда Масса электрона в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.
Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью -частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как ионизированные атомы гелия. Скорость -частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.
Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить его скорость.
Рассеяние (изменение направления движения) -частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию -частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 1.
1 Свинцовый цилиндр с источником -частиц
Тонкая фольга
Экран с люминофором
Микроскоп
Рисунок 1
Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутрь свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок -частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (Золото, медь и пр.). После рассеяния -частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.
При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком -частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, -частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади.
Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение -частиц на большие углы. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число -частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°.
4.4 Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, что -частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра — тела малых размеров, в котором, сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.
На рисунке 2,а показаны траектории -частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.
Рисунок 2 а) и б)
Подсчитывая число -частицы, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10-12—10-13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10-8 см, т.е. в 10—100 тыс. раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.
4.5 Планетарная модель атома. Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил со стороны ядра.
В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома — это радиус орбиты его электрона (рисунок 2 б).
Рисунок 3 Планетарная модель атома
Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию -частицы. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому, как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10 8 с) должен упасть на ядро Атом должен прекратить свое существование.
В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.
Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение - это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы. Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атомов.
4.6 Спектры. Виды спектров Спектром электромагнитного излучения (ЭМИ) называется совокупность электромагнитных волн, излучаемых или поглощаемых атомами (молекулами) данного вещества.
Все атомы химического элемента обладают одинаковым зарядом атомного ядра, их электронные оболочки имеют одинаковое строение. Поэтому набор частот испускаемых квантов или длин волн излучаемого света у всех атомов одного элемента одинаков.
У каждого химического элемента свой заряд атомного ядра и свое особое строение электронной оболочки. Возбужденные атомы каждого химического элемента испускают световые кванты таких частот, какие не испускают атомы ни одного другого химического элемента. Состав излучения по длинам волн можно узнать, пропустив узкий пучок света через стеклянную призму. Получающийся при разложении линейчатый спектр служит точным «паспортом», по которому можно узнать химический элемент.
Спектры испускания условно делятся на три типа:
а) Светящиеся твердые и жидкие (расплавленные) тела излучают комплексы лучей с постепенным переходом от волн одной длины к волнам другой длины, поэтому спектр их излучения имеет вид цветной полоски с непрерывно изменяющейся окраской, они содержат все длины волн в определенном диапазоне. Такие спектры называются сплошными.
б) Светящиеся атомарные пары и газы (пламя, газы в разрядных трубках) дают спектры прерывистые, или линейчатые, состоящие из отдельных цветных линий, получающиеся от лучей с разными длинами волн. Линейчатый спектр состоит из отдельных компонент (линий), близких к гармоническим. Расстояние между линиями (по шкале длин волн или частот) много больше ширины линий.
в) Полосатые спектры, состоят из совокупности нескольких полос испускания, разделенных промежутками; такие спектры характерны для разреженных молекулярных газов.
Всякое вещество способно поглощать часть проходящего через него излучения. Если через вещество пропускается свет с непрерывным спектром, то спектральный анализ прошедшего света показывает, что в исходно непрерывном спектре появляются отдельные темные линии (спектр поглощения). Спектры солнечного излучения основной массы Солнца имеет вид сплошного, но с большим числом темных тонких линий, пресекающих спектр, получающихся от излучения раскаленных паров и газов, окружающих в виде оболочки основную массу Солнца и поглощающих те лучи, которые они сами испускают. Так как яркость испускания газов солнечной оболочки гораздо меньше, чем яркость лучей основного ядра, то соответственные места спектра кажутся темными. Главные лучи поглощения солнечного спектра называются фраунгоферовыми и отмечаются буквами латинского алфавита.
Г. Кирхгоф установил, что атомы или молекулы данного вещества поглощают свет тех же длин волн, которые они сами могут испускать. Таким образом, положение ярких линий в спектре испускания данного вещества в точности соответствует положению темных линий в спектре поглощения этого же вещества.
Атомы или молекулы каждого вещества, как отмечалось выше, испускают спектр строго определенных частот, являющийся однозначной характеристикой самого вещества. Таким образом, спектральный анализ (т.е. изучение спектра испускания данного вещества) позволяет безошибочно определить химический состав вещества. Спектральный анализ имеет широчайшие применения в технике и других областях (например, криминалистике).
Важнейшую роль играют исследования спектров испускания далеких звезд, позволяющие установить химический состав верхних слоев звезды, распространенность тех или иных элементов, как в самих звездах, так и в межзвездном пространстве. Кроме того, сдвиг положения спектральных линий, связанный с эффектом Доплера, позволяет точно измерить скорость удаления или приближения к нам звезды или галактики, несмотря на колоссальные расстояния до этих объектов.
4.7 Модель Бора Описанная планетарная модель атома совершенно неприемлема с точки зрения законов классической физики. Дело в том, что, как вытекает из законов электродинамики Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны. Поэтому электрон, двигаясь с центростремительным ускорением υ2/r по орбите, постепенно должен терять энергию и неизбежно упасть на ядро. Можно подсчитать время жизни атома водорода до момента падения электрона на ядро. Оказывается, что атом просуществовал бы всего около 10-10 с.
В 1913 г. Н. Бор предложил теоретическое объяснение модели атома Резерфорда, основанное на отказе от ряда классических представлений, прежде всего, на отказе от утверждения о непрерывности классических величин типа энергии и момента импульса. Этим Бор заложил основы квантовой теории.
В дальнейшем полуклассическая и во многом непоследовательная модель Бора была заменена строгими законами квантовой механики.