Большая Советская Энциклопедия (АТ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 38

  Создание Резерфордом планетарной модели атома. Модель атома Томсона оказалась неудовлетворительной. На её основе не удалось объяснить совершенно неожиданный результат опытов английского физика Э. Резерфорда и его сотрудников Х. Гейгера и Э. Марсдена по рассеянию a-частиц атомами. В этих опытах быстрые a-частицы были применены для прямого зондирования атомов. Проходя через вещество, a-частицы сталкиваются с атомами. При каждом столкновении a-частица, пролетая через электрическое поле атома, изменяет направление движения — испытывает рассеяние. В подавляющем большинстве актов рассеяния отклонения a-частиц (углы рассеяния) были очень малы. Поэтому при прохождении пучка a-частиц через тонкий слой вещества происходило лишь небольшое размытие пучка. Однако очень малая доля a-частиц отклонялась на углы более 90°. Этот результат нельзя было объяснить на основе модели Томсона, т.к. электрическое поле в «сплошном» атоме недостаточно сильно, чтобы отклонить быструю и массивную a-частицу на большой угол. Чтобы объяснить результаты опытов по рассеянию a-частиц, Резерфорд предложил принципиально новую модель атома, напоминающую по строению Солнечную систему и получившую название планетарной. Она имеет следующий вид. В центре атома находится положительно заряженное ядро, размеры которого (~10^-12см) очень малы по сравнению с размерами атома (~10^-8см), а масса почти равна массе атома. Вокруг ядра движутся электроны, подобно планетам вокруг Солнца; число электронов в незаряженном (нейтральном) атоме таково, что их суммарный отрицательный заряд компенсирует (нейтрализует) положительный заряд ядра. Электроны должны двигаться вокруг ядра, в противном случае они упали бы на него под действием сил притяжения. Различие между атомом и планетной системой состоит в том, что в последней действуют силы тяготения, а в атоме — электрические (кулоновские) силы. Вблизи ядра, которое можно рассматривать как точечный положительный заряд, существует очень сильное электрическое поле. Поэтому, пролетая вблизи ядра, положительно заряженные a-частицы (ядра гелия) испытывают сильное отклонение (см. рис. 4). В дальнейшем было выяснено (Г. Мозли), что заряд ядра возрастает от одного химического элемента к другому на элементарную единицу заряда, равную заряду электрона (но с положительным знаком). Численно заряд ядра атома, выраженный в единицах элементарного заряда е, равен порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе.

  Для проверки планетарной модели Резерфорд и его сотрудник Ч. Дарвин подсчитали угловое распределение a-частиц, рассеянных точечным ядром — центром кулоновских сил. Полученный результат был проверен опытным путём — измерением числа a-частиц, рассеянных под разными углами. Результаты опыта в точности совпали с теоретическими расчётами, блестяще подтвердив тем самым планетарную модель атома Резерфорда.

  Однако планетарная модель атома натолкнулась на принципиальные трудности. Согласно классической электродинамике, заряженная частица, движущаяся с ускорением, непрерывно излучает электромагнитную энергию. Поэтому электроны, двигаясь вокруг ядра, т. е. ускоренно, должны были бы непрерывно терять энергию на излучение. Но при этом они за ничтожную долю секунды потеряли бы всю свою кинетическую энергию и упали бы на ядро. Другая трудность, связанная также с излучением, состояла в следующем: если принять (в соответствии с классической электродинамикой), что частота излучаемого электроном света равна частоте колебаний электрона в атоме (т. е. числу оборотов, совершаемых им по своей орбите в одну секунду) или имеет кратное ей значение, то излучаемый свет по мере приближения электрона к ядру должен был бы непрерывно изменять свою частоту, и спектр излучаемого им света должен быть сплошным. Но это противоречит опыту. Атом излучает световые волны вполне определённых частот, типичных для данного химического элемента, и характеризуется спектром, состоящим из отдельных спектральных линий — линейчатым спектром. В линейчатых спектрах элементов был экспериментально установлен ряд закономерностей, первая из которых была открыта швейцарским учёным И. Бальмером (1885) в спектре водорода. Наиболее общая закономерность — комбинационный принцип — была найдена австрийским учёным В. Ритцем (1908). Этот принцип можно сформулировать следующим образом: для атомов каждого элемента можно найти последовательность чисел T₁, T₂, T₃,... — т. н. спектральных термов, таких, что частота v каждой спектральной линии данного элемента выражается в виде разности двух термов: v = T_k - T_i. Для атома водорода терм T_n = R/n², где n — целое число, принимающее значение n = 1, 2, 3,..., a R — т. н. постоянная Ридберга (см. Ридберга постоянная).

  Т. о., в рамках модели атома Резерфорда не могли быть объяснены устойчивость атома по отношению к излучению и линейчатые спектры его излучения. На её основе не могли быть объяснены и законы теплового излучения, и законы фотоэлектрических явлений, которые возникают при взаимодействии излучения с веществом. Эти законы оказалось возможным объяснить, исходя из совершенно новых — квантовых— представлений, впервые введённых немецким физиком М. Планком (1900). Для вывода закона распределения энергии в спектре теплового излучения — излучения нагретых тел — Планк предположил, что атомы вещества испускают электромагнитную энергию (свет) в виде отдельных порций — квантов света, энергия которых пропорциональна v (частоте излучения): E = hv, где h — постоянная, характерная для квантовой теории и получившая название Планка постоянной. В 1905 А. Эйнштейн дал квантовое объяснение фотоэлектрических явлений, согласно которому энергия кванта hv идёт на вырывание электрона из металла —работа выхода Р — и на сообщение ему кинетическую энергии Т_кин; hv = Р + T_кин. При этом Эйнштейн ввёл понятие о квантах света как особого рода частицах; эти частицы впоследствии получили название фотонов.

  Противоречия модели Резерфорда оказалось возможным разрешить, лишь отказавшись от ряда привычных представлений классической физики. Важнейший шаг в построении теории атома был сделан датским физиком Н. Бором (1913).

  Постулаты Бора и модель атома Бора. В основу квантовой теории атома Бор положил 2 постулата, характеризующих те свойства атома, которые не укладывались в рамки классической физики. Эти постулаты Бора могут быть сформулированы следующим образом:

  1. Существование стационарных состояний. Атом не излучает и является устойчивым лишь в некоторых стационарных (неизменных во времени) состояниях, соответствующих дискретному (прерывному) ряду «дозволенных» значений энергии E₁, E₂, E₃,E₄,... Любое изменение энергии связано с квантовым (скачкообразным) переходом из одного стационарного состояния в другое.

  2. Условие частот излучения (квантовых переходов с излучением). При переходе из одного стационарного состояния с энергией E_i в другое с энергией E_k атом испускает или поглощает свет определённой частоты v в виде кванта излучения (фотона) hv, согласно соотношению hv = E_i - E_k. При испускании атом переходит из состояния с большей энергией E_i в состояние с меньшей энергией E_k, при поглощении, наоборот, из состояния с меньшей энергией E_k в состояние с большей энергией E_i.

  Постулаты Бора сразу позволяют понять физический смысл комбинационного принципа Ритца (см. выше); сравнение соотношений hv = E_i - E_k и v = T_k - T_i показывает, что спектральные термы соответствуют стационарным состояниям, и энергия последних должна равняться (с точностью до постоянного слагаемого) E_i = - hT_i, E_k =- hT_k.