Цитата дня Я прав, либо одно из двух, либо третьего не дано!

Досліди Резерфорда. Ядерна модель атома. Квантові постулати Бора. Поглинання та випромінювання світла атомом

Поняття атом, як і саме слово, має давньогрецьке походження, хоча істинність

гіпотези про існування атомів знайшла своє підтвердження лише в 20 столітті.

Основною ідеєю, яка стояла за даним поняттям протягом всіх сторіч, було

уявлення про світ як про набір величезної кількості неподільних елементів, які є

дуже простими за своєю структурою і існують від початку часів.

Історія зберегла ім`я стародавнього атоміста Сидонського, який жив у ХІІст. до

н.е. На ті ж часи припадає поява «Книги змін» китайського вченого Вен Ванга, в

якій поряд із вченням про протилежні начала ( інь, янь) міститься також вчення

про первісну матерію та її найдрібніші частинки «ці».

Першим почав проповідувати атомістичне вчення в 5 столітті до нашої ери

філософ Левкіпп. Потім естафету підхопив його учень Демокріт. Збереглися лише

окремі фрагменти їх робіт, з яких стає зрозумілим, що вони виходили з невеликої

кількості досить абстрактних фізичних гіпотез:

«Солодкість і гіркота, спека і холод смисл визначення, насправді ж [тільки] атоми і

пустота».

За Демокрітом, вся природа складається з атомів, найдрібніших часток речовини,

які спочивають чи рухаються в абсолютно пустому просторі. Всі атоми мають

просту форму, а атоми одного сорту є тотожними; різноманіття природи

відображає різноманіття форм атомів і різноманіття способів, в які атоми

можуть зчіплюватись між собою. І Демокріт, і Левкіп вважали, що атоми,

почавши рухатись, продовжують рухатись по законам природи.

Через покоління після Демокріта, Платон запропонував своє рішення цієї проблеми:

«найдрібніші частки належать не царству матерії, а царству геометрії; вони

являють собою різні тілесні геометричні фігури, обмежені плоскими

трикутниками». А його учень Арістотель вважав, що процес поділу речовини може

бути нескінченним.Такий підхід на багато століть став домінуючим, а вчення

Демокріта забули майже на 2000 років, його праці збереглися лише у фрагментах, а

людство знає про них із поем давньогрецького поета Лукреція «Про природу

речей». Протягом багатьох століть після цього не було висловлено ніяких нових ідей

про структуру матерії. Наукова думка у цьому напрямі почала відроджуватися

тільки у 17 ст. Однак не слід вважати, що давньогрецькі мислителі та їхні

послідовники завдяки геніальній інтуіції дійсно встановили атомну структуру

матерії. Протягом багатьох століть атоми були тільки умоглядними поняттями,

оскільки не було ніякої можливості перевірити їх існування. Тільки створення

приладів дало змогу експериментально вивчати властивості та структуру

матерії . Отже, розглянемо ті наукові відкриття, які дали змогу переконатися в

існуванні атомів і встановити їхню структуру. Зазначимо, що атомістичні ідеї

розвивались як фізиками, так і хіміками, оскільки відповідні науки довго були

неподільними.

1661рік – англійський хімік Роберт Бойль у своїй праці «Хімік-скептик»

сформулював поняття хімічного елементу, як найпростішої складової частинки

матерії та ввів у хімію експериментальний метод, поклавши цим початок

становлення хімії як науки.

Послідовним прибічником атомістики був росіянин М.В.Ломоносов. На жаль, його

праці були забуті і тому істотно не вплинули на розвиток атомістичної науки.

Велика заслуга у розвитку атомістичних уявлень належить англійському фізику і

хіміку Джону Дальтону. Він відкрив три закони:

- 1801р.- закон парціальних тисків газів;

- 1802р. – закон розширення газів при сталому тиску від

температури( незалежно від Гей-Люссака);

- 1803р. – закон залежності розчинності газів від їхніх парціальних

тисків, який називається законом Дальтона.

Він висунув та обгрунтував теорію атомної структури матерії або хімічну

атомістику, яка пояснювала закон сталості складу речовини, увів поняття атомної

ваги та склав першу таблицю відносних атомних мас водню, азоту, вуглецю, сірки і

фосфору, встановив, що атоми одного хімічного елементу мають однакові

властивості.

1807-1818р.р. - Шведський хімік Якоб Берцеліус визначив атомні маси 45 хімічних

елементів, ввів сучасні позначення хім.елементів і перші формули хім.сполук.

1811р. – італійський фізик Амедео Авогадро відкрив закон, що носить його ім`я: у

рівних об`ємах різних газів за однакових температур та тиску міститься однакова

кількість молекул Nа=6,022*10\23 моль-1.Ця величина називається числом

Авогадро. Точне визначення цього числа було однією з найскладніших проблем фізики

та хімії другої половини ХІХст.

1827р. – шотландський ботанік Роберт Броун спостерігав під мікроскопом

безладний рух квіткового пилку. Це явище здобуло назву броунівського руху, який

відбувається під дією ударів молекул завдяки їхньому тепловому руху.

1833р. – англійський фізик Майкл Фарадей відкрив закони електролізу, у 1843р. –

закон збереження електричного заряду, встановив дискретний характер електрики,

висунув концепцію електромагнітного поля.

1858р. - італійський хімік Станіслао Канніццаро – розмежував поняття атома і

молекули.

1865р. – австрійський фізик та хімік Іоганн Лошмідт обчислив діаметр молекули:

10\-10м.

1869р. – російський хімік Дмитро Менделєєв відкрив один з основних законів

природознавства – періодичний закон хімічних елементів, передбачив існування та

властивості нових хім.елементів. Хочеться звернути вашу увагу на те, що закон

було відкрито за 50 років до того, як почала створюватися квантова механіка,

котра пояснила структуру атомів і порядок заповнення періодичної системи

елементів.

В Україні проблеми будови атома в 70-ті рр. XIX ст. привертають увагу

професора Харківського університету М.М. Бекетова, професора Одеського

університету М.О. Умова та доцента Київського університету О.М. Базарова.

Отже, дослідження багатьох вчених привели до того, що в другій половині ХІХст.

було підготовлено грунт для розвитку експериментальних досліджень структури

молекул та атомів.

Важливим кроком у цьому напрямку було відкриття:

- Фотоефекту( 1887р. Герц, 1888р. Столєтов, 1905 Ейнштейн)

Х-променів (1895 р., В. К. Рентген, І. Пулюй), названих згодом рентгенівським

випромінюванням,

- радіоактивності (І896 p., А. Беккерель),

- електрона (1897 p., Дж. Дж. Томсон).

Як бачимо, наприкінці ХIX - на початку XX ст. у фізиці було отримано кілька

визначних дослідних фактів, які привернули увагу вчених до мікросвіту.

Вони ставили під сумнів уявлення давніх учених про неподільність атома, суперечили

усталеним класичним уявленням про будову речовини, спонукали до поглиблення

знань про явища, які відбуваються в мікросвіті.

Так зародилася атомна фізика, яка вивчає будову і властивості атомів, процеси на

атомному рівні.

У 1903-1904 р.і Томсон у статті «Структура атома» описав по суті першу модель

атома. На відміну від своїх попередників, які пропонували модель атома не

спираючись на реальні факти, Томсон строго обґрунтував свою модель атома. По-

перше, він довів, що до складу атома входять електрони. По-друге, як

розміщуються електрони по колах в атомі, що підтвердили досліди Майора і Вуда.

По- третє, він обґрунтував число електронів у атомі. І все ж модель Томсона мала

недолік. Томсон знав про слабке місце у своїй моделі. Про це він писав у книзі

«Корпускулярна модель речовини».»В каком виде положительное электричество

пребывает в атоме – это вопрос, относительно котрого мы в настоящее время

осведомлены весьма мало.. Наиболее доступный для математических

вичислений это шар с постоянной плотности».

Про який недолік іде мова?

Він припустив, що атом — це позитивна суцільно заряджена куля, всередині якої

містяться негативно заряджені електрони. Рівномірність їх розподілу в об'ємі кулі

та рівність позитивного і негативного зарядів забезпечують електричну

нейтральність атома.

З чим порівнювали модель атома за Томсоном?

Модель атома Томсона називавють «пудинговою» — за аналогією з традиційним

британський пирогом з родзинками .

Щоб дослідити розподіл позитивного заряду в атомі Резерфорд у 1906р.

запропонував застосування зондування атома за допомогою а-частинок.

Альфа-частинки — це позитивно заряджені частинки, заряд яких дорівнює двом

зарядам електрона, а маса приблизно у 8000раз більша від маси електрона, у

чотири рази більша за масу атома Гідрогену, тобто це ядра атома Гелію, а їх

швидкість дорівнює 1\15 швидкості світла

У 1911 р. англійський фізик Е. Резерфорд, досліджуючи разом зі своїми

співробітниками бомбардування альфа-частинками тонких металевих пластинок,

встановив, що вони певним чином розсіюються в речовині (мал. 7.1). Яка схема

досліду Резерфорда?

Вузький пучок швидких альфа-частинок 1 спрямовувався на тонку золоту чи

платинову пластинку 2, за якою розміщувався екран 3, здатний фіксувати їх

попадання на екран спалахами. За допомогою спеціального оптичного пристрою 4

можна була спостерігати і вимірювати кут відхилення альфачастинок.

Що найбільше вразило Резерфорда? Чого він не чекав?

Більшість із них рухалася майже прямолінійно (кут відхилення ф становив 1—2°).

Проте незначна їх частка відхилялася на більші кути; були зафіксовані навіть такі

альфачастинки ( одна із 20000), які після розсіювання змінювали свій напрямок руху

на протилежний (ф > 90°).

«Це майже так само неймовірно – говорив Резерфорд, - ніби Ви вистрелили 15-

дюймовим снарядом у кусок тонкого паперу, а снаряд повернувся до Вас і вдарив

Вас».

Резерфорду знадобилося кілька років, щоб остаточно зрозуміти таке несподіване

розсіювання а-частинок на великі кути.

Якого висновку дійшов Резерфорд?

Він дійшов висновку, що позитивний заряд атома зосереджений у дуже малому

об’ємі в центрі атома, а не розподілений по всьому атому, як у моделі Томсона.

Дослід Е. Резерфорда започаткував основи сучасних уявлень про будову атома

Яка модель атома за Резерфордом?

Щоб пояснити одержані результати, Е. Резерфорд припустив, що атом має

складну будову, схожу на Сонячну систему: всередині його міститься позитивно

заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони (мал.

7.2).

Його розрахунки довели, що в ядрі зосереджена практично вся маса атома, але його

розміри набагато менші за сам атом. Вимірювання показали, що лінійні розміри

атома становлять приблизно 10-10 м, а радіус його ядра дорівнює близько 10-15 м.

Отже, на підставі одержаних експериментальних даних Е. Резерфорд запропонував

ядерну модель атома, яка узгоджувалася з результатами дослідів і пояснювала

багато інших явищ, пов'язаних з будовою атома.

Справді, швидкі альфа-частинки легко долають простір електронних оболонок

атомів, не зазнаючи з їхнього боку значного впливу, і тому майже не відхиляються

від прямолінійної траєкторії руху. Проте коли вони пролітають досить близько від

позитивно зарядженого ядра атома, кулонівська взаємодія між ядром і частинками

змушує їх викривляти траєкторію і відхилятися на певний кут (мал. 7.3).

Е. Резерфорд на основі законів електромагнітної взаємодії вивів формулу, яка дає

змогу обчислити кількість а-частинок, розсіяних на кут ф, залежно від їх енергії і

хімічної природи досліджуваного матеріалу. Пізніше ця теоретично виведена

формула була експериментально підтверджена й остаточно утвердила в фізиці

ядерну модель атома.

Задача. Що має більшу масу: атом літію чи його позитивний іон? Атом хлору

чи його негативний іон?

Тріумф класичної фізики в поясненні складної будови мікросвіту, який привів Е.

Резерфорда до створення ядерної моделі атома, тривав недовго.

За першої ж спроби застосувати закони класичної механіки та електродинаміки до

опису найпростішого атома Гідрогену фізики зіткнулися з труднощами, які

здавалися нездоланними.

З якими труднощами зіткнулися фізики?

Як відомо, атом Гідрогену є стійким утворенням, яке складається з ядра-протона й

одного електрона, що обертається навколо нього під дією кулонівської сили

взаємодії (мал. 7.4). Якщо вважати орбіту електрона коловою, то:

З електродинаміки відомо, що електрон, який рухається з прискоренням, має

випромінювати електромагнітні хвилі і поступово втрачати енергію, тобто з

часом він мав би впасти на ядро, а атом — припинити існування. Отже, за

класичними міркуваннями, атоми мають бути нестійкими утвореннями, які весь

час випромінюють суцільний спектр електромагнітних хвиль. Проте цей висновок

суперечить практиці, адже насправді атоми «живуть» тривалий час і

випромінюють енергію лише за певних умов.

Це протиріччя між класичною теорією і практикою спробував пояснити у 1913 р.

відомий датський учений Нільс Бор, який сформулював квантові постулати:

1) атоми перебувають у певних стаціонарних станах, в яких вони не випромінюють

електромагнітні хвилі;

2) під час переходу атома з одного стаціонарного стану, що характеризується

енергією Еn, в інший з енергією Еm, він випромінює або поглинає квант енергії, що

дорівнює

hv= En - Em. (7.2)

Перший постулат Н. Бора, який спростовував фундаментальні положення

класичної фізики, був експериментально підтверджений у 1913 р. дослідами Д.

Франка і Г. Герца, які досліджували залежність сили струму від напруги у скляній

колбі, заповненій парою ртуті (мал. 7.5).

Досліди Д. Франка і Г. Герца підтверджують, що атоми перебувають у певних

стаціонарних станах

Джерело струму Е створює напругу, завдяки якій електрони прямують до анода з

прискоренням

Електрони з катода К під дією електричного поля, створеного між електродами

джерелом струму Е, прямують до сітки С й анода А. Між сіткою С й анодом А

існує незначна напруга (0,5 В), яка гальмує повільні електрони, перешкоджаючи їх

руху до анода.

Результати дослідження залежності сили струму / в колі анода від напруги U

показали, що ця залежність має нелінійний складний характер (див. мал. 7.6).

Існування максимумів струму за напруг 4,9; 9,8 і 14,7 В можна пояснити лише

однією причиною — існуванням в атомів Меркурію стаціонарних станів. Справді, за

напруги U< 4,9 В електрони, що вилетіли з катода, зіткнувшись з атомами

Меркурію, практично не змінюють своєї енергії (адже mе < МHg) і легко долають

гальмівну напругу між сіткою й анодом. За напруги U = 4,9 В відбувається їх

непружне зіткнення й електрони втрачають енергію, збуджуючи атоми Меркурію;

їхньої енергії недостатньо для подолання гальмівної напруги і сила струму в колі

анода різко спадає. В міру подальшого зростання напруги між катодом К і сіткою

С сила анодного струму знову зростає, досягаючи максимуму за 9,8 В, тобто

енергія атома Меркурію змінюється на 4,9 еВ.

У дослідах Д. Франка і Г. Герца залежність сили струму від напруги не лінійна: за

певної напруги існують максимальні значення струму

Електрон-вольт (еВ) — це енергія, якої набуває електрон під дією прискорювальної

напруги 1 В:

1 еВ = 1,6 · 10-19Дж

У збудженому стані атоми можуть перебувати дуже короткий час (~10-8 с), після

чого самочинно повертаються в основний незбуджений стан, випромінюючи

світловий квант частотою . У дослідах Д. Франка і Г. Герца за напруги 4,9

В спостерігалося ультрафіолетове світіння пари ртуті, що остаточно

підтвердило справедливість квантових постулатів Н. Бора.

Лінії атомних спектрів утворюють серії, які підлягають певним закономірностям.

Так, для видимої частини спектру Гідрогену спектральні лінії утворюють серію

Бальмера

В інфрачервоній частині спектру для значень m = 3 і n = 4, 5, 6, ... виявлено лінії так

званої серії Пашена

Другий постулат Бора пояснював закономірності лінійчастих спектрів, природу

яких класична фізика не змогла розкрити. У 1885 р. швейцарський учений Й. Бальмер

встановив, що довжини хвиль спектральних ліній Гідрогену співвідносяться між

собою з певною закономірністю: де n = 3, 4, 5, 6; В — стала, що дорівнює

364,56 нм.

Згодом, у 1890 p., шведський фізик Й. Рідберг одержав більш загальну формулу для

частот спектральних ліній атома Гідрогену:

де R = 3,29 · 1015Гц.

За цією формулою для ліній серії Бальмера m = 2, n = 3, 4, 5, 6; для ліній серії

Пашена m = 3, n = 4, 5, 6, ... .

Отже, квантові постулати Бора остаточно розв'язали труднощі класичної фізики

щодо будови речовини. Вони пов'язали між собою ядерну модель атома Резерфорда,

побудовану на основі класичної теорії, і квантовий характер змін внутрішнього

стану атома, що було підтверджено експериментально, їхнє значення для розвитку

сучасної фізики з'ясувалося згодом, під час становлення квантової механіки, в основу

якої покладено ідею квантування значень фізичних величин.

ОПТИЧНІ СПЕКТРИ. ПОГЛИНАННЯ І ВИПРОМІНЮВАННЯ СВІТЛА АТОМОМ

Електромагнітне випромінювання будь-якої природи може характеризуватися

спектром коливань, на які можна розкласти його за довжиною хвилі або частотою.

Залежно від характеру поширення електромагнітних хвиль оптичні спектри

поділяють на спектри випромінювання, поглинання, розсіювання і відбиття.

Оптичні спектри випромінювання спостерігаються у джерел світла, які

випускають фотони внаслідок збудження речовини під впливом зовнішнього

чинника. Наприклад, розжарена вольфрамова нитка електричної лампи випромінює

світло внаслідок її нагрівання при проходженні по ній електричного струму.

Останні три види спектрів спостерігаються в разі проходження випромінювання

крізь речовину, внаслідок чого відбувається його поглинання, розсіювання і

відбивання залежно від властивостей і довжини хвилі . або її частоти v.

Оптичні спектри поглинання, розсіювання і відбивання характеризують

властивості речовини

Оптичні спектри спостерігають візуально за допомогою спектральних приладів і

фіксують, як правило, фотографічним способом або за допомогою фотоелементів.

Спектри можуть бути (мал. 7.7):

а) суцільними, що охоплюють широкий діапазон довжин хвиль;

б) лінійчастими, що складаються з окремих спектральних ліній певної довжини

хвилі X;

в) смугастими — набір окремих смуг, що належать певному інтервалу довжин

хвиль.

Суцільний оптичний спектр спостерігається за умови термодинамічної рівноваги

речовини і випромінювання за даної температури. Проте в реальних умовах досягти

такого стану практично неможливо, тому найчастіше одночасно спостерігають

різні види спектрів. Так, за звичайних умов сонячне світло бачать у спектроскопі у

вигляді суцільного спектра з темними лініями поглинання.

Механізм утворення суцільних оптичних спектрів пояснює класична

електродинаміка. За її тлумаченням поглинуте електромагнітне випромінювання

збуджує в речовині хвилі, частота яких відповідає частоті падаючого світла.

Проте класична фізика виявилася безпорадною у поясненні лінійчастих і смугастих

спектрів випромінювання і поглинання світла атомами і молекулами. їхню природу

можна зрозуміти лише на основі квантових постулатів Бора та інтерпретації

квантових переходів між рівнями енергії в атомах і молекулах.

За класичною теорією монохроматичне світло збуджуватиме хвилі певної частоти,

а природне світло утворюватиме суцільний спектр випромінювання

Для наочного ілюстрування станів атома використовують енергетичні діаграми, на

яких рівні енергії позначають горизонтальними лініями (мал. 7.8).

Доволі довго атом може перебувати лише в основному стаціонарному стані, що

характеризується мінімальною енергією Е1. Решта станів атома чи молекули (E2,

Е3, ..., Еn) є стаціонарними лише умовно, і тому їх називають збудженими станами.

Наприклад, якщо незбуджений атом поглине квант hv, то він може перейти в

умовно стабільний, збуджений стан Е3, але згодом, випромінивши квант частотою

атом може перейти в більш стабільний стан Е2. Слід підкреслити, що

випромінювання відбувається за квантового переходу атома зі стану з більшою

енергією у стан з меншою енергією, і навпаки, поглинання енергії атомом

супроводжується його переходом зі стану з меншою енергією у стан з більшою

енергією.

Молекулярні спектри характеризуються сукупністю смуг, за набором яких можна

одержати інформацію про склад і структуру молекули, стан її електронних

оболонок. Тому їх широко використовують у хімії, спектральному аналізі речовин

тощо.

ЗАПИТАННЯ

1. Які відкриття стали поштовхом до розвитку атомної фізики?

2. У чому полягає суть дослідів Резерфорда?

3. Чим відрізняється ядерна модель атома, запропонована Е. Резерфордом, від

«пудингової» моделі Томсона?

4. Чому окремі альфа-частинки в дослідах Резерфорда відхилялися від прямолінійної

траєкторії руху?

5. Чому виникли труднощі у класичному поясненні ядерної моделі атома? У чому

вони виявилися?

6. Чому постулати Бора вважають квантовими?

7. Які дослідні факти підтверджують справедливість квантових постулатів Бора?

8. У чому полягає суть досліду Франка і Герца?

9. Яке значення мають квантові постулати Бора для сучасної фізики?

10. Які існують оптичні спектри залежно від характеру поширення

електромагнітних хвиль?

11. Які бувають види спектрів?

12. Як можна пояснити природу лінійчастих спектрів?

13. Які переходи атома супроводжуються поглинанням світла, а які —

випромінюванням?

Теорія. Демокріт – Атом неподільний!

Практика. Відкриття: відкриття періодичної системи хімічних елементів

Д.І, Менделєєвим ( 1869р.)

Х-променів (1895 р., В. К. Рентген, І. Пулюй),

- радіоактивності (І896 p., А. Беккерель),

- електрона (1897 p., Дж. Дж. Томсон),

- фотоефект (1887р.Герц, 1888р.Столєтов, 1905р.Ейнштейн)

Протиріччя Вихід. Теорія. Модель Томсона.Практика. Зондування а-частинками атомів ( 1906р. Резерфорд)

Схема досліду.

Теорія. А-частинки рухаються прямолінійно.Практика. Відхилення а-частинок

Протиріччя

Вихід. Планетарна модель атома Резерфорда.

Теорія. Електрони втрачають енергію, атоми мають бути нестійкими утвореннями, які весь час випромінюють суцільний спектр.

Практика. Атоми живуть довго. Мають лінійчасті і смугасті спектри випромінювання і поглинання світла.

Протиріччя Вихід.Теорія. Постулати. ( 1913р. Н.Бор.)

Досліди Д. Франка і Г. Герца підтверджують, що атоми перебувають у певних

стаціонарних станах.

Практика. Вдалося побудувати кількісну теорію спектра лише для атома водню.