Становление атомной физики

Становление атомной физики
Атомная физика - это наука об электронном строении вещества. Она призвана объяснить его
макроскопические свойства на базе микроскопического подхода.
Как самостоятельная дисциплина атомная физика начала формироваться в 20-х годах XX в. Еѐ
появлению предшествовал ряд важных научных открытий, перечислим некоторые из них:
1874 г. - Стони, из чисел Фарадея и Авогадро, определил величину элементарного заряда e и в
1891 г. ввѐл термин "электрон";
1888 г. - исследование Столетовым фотоэффекта;
1895 г. - открытие рентгеновских лучей;
1896-97 гг. - Томсон измерил отношение e/me элементарного заряда к массе электрона me;
1900 г. - Планк создал квантовую теорию излучения абсолютно чѐрного тела и ввѐл постоянную h;
1902 г. - Томсон предложил модель атома с электронами, вкрапленными в размазанный
положительный заряд ("пудинг с изюмом");
1905 г. - Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта;
1906-1911 гг. - Резерфорд измерил размеры атомного ядра;
1913 г. - планетарная модель атома по Бору;
1925-27 гг.- созданы основы квантовой механики (Гайзенберг, Борн, Дирак, Паули, Шредингер).
Остановимся несколько подробнее на некоторых из них.
1. Закономерности в атомных спектрах
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, в экспериментах 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.
Швейцарский физик Й. Бальмер в 1885 году установил, что длины волн серии в видимой части
спектра водорода могут быть представлены формулой, которая в современных обозначениях
выглядит так:
 1 1 
  R  2  2  , n  3, 4,5,...
2 n 
16 1
R  2,07 10 c - постоянная величина, найденная из экспериментов (постоянная Ридберга).
Ясно было, что атом - сложная система, имеющая сложные атомные спектры ( рис.1).
Рис.1
В конце 19 века учеными рассматривались многие модели атомов (Рис.2, а, б, в)
Рис.2.
В 1903 году Дж. Дж. Томсон, предложил модель атома: сфера, равномерно заполненная
положительным электричеством, внутри которой находятся электроны (рис. 2, а). Атом в целом
нейтрален: суммарный заряд сферы равен заряду электронов, однако спектр такого атома должен
был быть сложным, но никоим образом не линейчатым, что противоречило экспериментам.
Модель атома, изображенная на рис. 2,б, состояла из сферы, в центре которой находилось
положительно заряженное ядро, а вокруг него располагались электроны. Эта модель также не
вписывалась в эксперименты. Наиболее известна в то время была планетарная модель атома,
предложенная Э. Резерфордом (рис.2, в).
2. Ядерная модель атомов (модель Резерфорда)
Большую роль в развитии представлений о строении атома сыграли опыты Э. Резерфорда
Резерфорд и его сотрудники наблюдали прохождение α-частиц через тонкую золотую
фольгу. Скорость α-частиц 107 м/с.
Экспериментальная установка позволяла наблюдать α-частицы, отклоненные золотой фольгой под
разными углами.
В то время было известно, что α-частица имеет положительный заряд, равный +2е.
Опыт осуществлялся по схеме, изображенной на рис3.
Рис.3
Узкий пучок α-частиц испускался радиоактивным веществом и по- падал на фольгу.
Проходя через фольгу α-частицы отклонялись на раз- личные углы. Рассеянные частицы
ударялись об экран, покрытый ZnS, и вызываемые им вспышки света, сцинцилляции,
наблюдались в микроскопе. Микроскоп и связанный с ним экран можно было вращать вокруг
оси, проходящей через центр фольги. Т.е. можно было всегда измерить угол отклонения. Весь
прибор помещался в вакуум, чтобы α-частицы не рассеивались при столкновении с молекулами
воздуха.
В опыте 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
говорила, что эта положительная частица имеет малые размеры, порядка 10 –14 м. Электроны,
по мнению Резерфорда, движутся вокруг ядра.
Однако 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 падать на ядро. Таким образом, применение
2
классической электродинамики к ядерной модели атома привело к полному противоречию с
экспериментальными фактами. Согласно классической теории, должны иметь место:
- непрерывная потеря электроном энергии в виде излучения электромагнитных волн и
неустойчивость атома;
- существование только непрерывного спектра спектральных линий не должно быть.
В действительности оказывается, что:
-атом является устойчивой системой;
-атом излучает энергию лишь при определенных условиях;
электронной оболочки.
3. Элементарная теория Бора
Выход из тупика был найден датским ученым Нильсом Бором в 1913 году, получившим
Нобелевскую премию в 1922 году. Бор высказал предположения, которые были названы
постулатами Бора.
Постулаты Бора.
1. В изолированном атоме существуют такие состояния движения электрона, в которых он не
может терять энергию на излучение. Каждое такое стационарное состояние (стационарная орбита)
характеризуется определенной энергией
Еn и квантованным моментом импульса
электрона Ln  rn pn : rn mvn  n ,
n=1,2,3,… (1),
где rn, vn – радиус орбиты и скорости
электрона в n – м состоянии.
С целью упрощения рассматриваются
только круговые стационарные орбиты.
2. Переход из одного состояния Еn в
другое Еm происходит путем квантового
скачка и сопровождается испусканием
или поглощением фотона, частота
которого определяется как   En  Em
(2).
Н.Бор ввел чуждые классической
физике
понятия
о
стационарных
состояниях, квантовых скачках, о
дискретности (квантовании) энергии и
импульса.
В этом году мир отмечает столетие боровской модели. Какие достижения XX века стали
возможны благодаря теории Бора?Все, что связано с пониманием переходов между
энергетическими уровнями атомов, основанным на его идее, — от лазеров до полупроводников.
Кроме этого важным стало понимание того, что все атомы и молекулы имеют спектр, который
может быть, во-первых, рассчитан и, во-вторых, служить их уникальной характеристикой.
Чем является для науки модель Бора сегодня, 100 лет спустя?
Модели Бора пришло на смену уравнение Шредингера, которое было опубликовано в 1926 году.
Оно чрезвычайно точно предсказывает свойства всех атомов и молекул (а не только водорода, как
было в случае теории Бора).
3