Строение атома. Опыты Резерфорда. Постулаты Бора. Теория атома водорода.

 

Цель опытов Резерфорда – установить строение атомов. Выделяемый, с помощью узкого отверстия в свинцовом контейнере пучок альфа-частиц (ядер атома гелия ₂He⁴), испускаемых радиоактивным источником, падал на тонкую металлическую фольгу. При прохождении через фольгу альфа-частицы отклонялись от первоначального направления движения на различные углы. Рассеянные альфа-частицы ударялись об экран, покрытый сернистым цинком, и вызываемые ими вспышки света наблюдались в микроскоп. Микроскоп и экран можно было вращать вокруг оси, проходящей через центр фольги, и устанавливать под любым углом.

Были установлены следующие факты:

1) Основная часть альфа частиц отклоняется от первоначального направления на небольшие углы,

2) угол рассеяния небольшого количества альфа-частиц оказывается очень большим и может достигать 180^о.

Из первого факта было ясно, что область, отклоняющая альфа-частицы, имеет малый размер (вероятность попадания в ее мала), из второго – что она имеет большую массу. Основываясь на данных фактах Резерфорд предложил ядерную или планетарную модель атома. Согласно Резерфорду атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжелое положительно заряженное ядро, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны, суммарный заряд которых равен по модулю заряду ядра. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.

Данная экспериментально установленная модель атома оказалась в противоречии с классической электродинамикой и, согласно которой, электрон двигаясь с центростремительным ускорением, должен был излучать электромагнитные волны и в течение короткого времени упасть на ядро. При этом спектр его излучения должен быть сплошным, что противоречило экспериментальным данным по изучению спектров газов.

Выход из противоречия предложил Бор, который выдвинул следующие постулаты:

1) Из бесконечного множества электронных орбит, возможных для электрона в атоме с точки зрения классической механики, на самом деле реализуются лишь некоторые, называемые стационарными. Находясь на стационарной орбите электрон не излучает энергию (э/м волны) хотя и движется с ускорением.

2) Излучение испускается или поглощается атомом в виде светового кванта энергии hn при переходе электрона из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний E_n1 и E_n2, между которыми совершается квантовый скачок электрона:

Для объяснения линейчатого спектра излучения атомарного водорода Бор создал теорию (теория атома водорода Бора), в основу которой положил планетарную модель атома Резерфорда и уже упоминавшиеся выше постулаты.

Теория содержит выражение для

1. радиуса n -й стационарной орбиты электрона

,

где a _o —боровский радиус или радиус первой орбиты электрона.

2. энергии электрона в атоме водорода

,

где E_i — энергия ионизации атома водорода.

 

Энергия, излучаемая атомом водорода, согласно этой теории имеет вид

,

где п ₁ и п ₂ — квантовые числа, соответствующие энергетическим уровням, между которыми совершается переход электрона в атоме.

Из данной формулы может быть получена формула Бальмера для длины волны излучения атома водорода, полученная им эмпирически.

,

где R — постоянная Ридберга.