| Всички приложения, графични материали, формули, таблици и чертежи на работата по темата: Квантова теория на атома (предмет: Физика и енергия) са в архива, който можете да изтеглите от нашия уебсайт. Започвайки да четете тази работа (чрез преместване на лентата за превъртане на браузъра надолу), вие се съгласявате с условията на отворения лиценз Creative Commons Attribution 4.0 Worldwide (CC BY 4.0).
Квантова теория на атома
В исторически план първият (класически) модел на структурата на атома е предложен през 1903 г. от Томсън. Според модела на Томсън, атомът е топка, заредена с положителен електрически заряд непрекъснато и равномерно, вътре в която електроните осцилират около своите равновесни позиции. Общият отрицателен заряд на всички електрони е равен на положителния заряд на топката и като цяло атомът е електрически неутрален. Приблизителните размери на такава положително заредена сфера, определени от класическата електростатика, съответстват на реалните размери на атомите (R ≥ 10 -8 cm).
Наистина, ако напрегнатостта на електрическото поле вътре в топката е , където e е положителният заряд на топката, тогава „квазиеластична“ сила, действаща върху електрона, е . Тогава електронът ще осцилира с честотата , а радиусът на положително заредената топка може да се оцени като . За наблюдаваните честоти на емисионния спектър на атомите (l ≈ 0,6 μm и n ≈ 3 10 15 rad/s) получаваме стойността R ? 3 10 -8 см.
В същото време този модел беше опроверган от експериментите на Е. Ръдърфорд (1911) върху разсейването на b-частици, когато преминават през тънки метални фолиа (b-частиците са положително заредени (qb = +2qe) частици с маса mb ≈ 4mH, образувани, по-специално,по време на радиоактивния разпад на тежки елементи). Експериментите показват, че наред с повечето b-частици, които се отклоняват незначително от първоначалната си посока, се наблюдават определен брой b-частици, които при преминаване през тънко фолио са рязко отклонени под големи (n ≈ 135 O - 150 O) ъгли.
Това съответства на еластичното отражение на b-частици от положително заредено и масивно твърдо тяло, разположено на пътя на частиците. Не може да има забележимо отклонение поради взаимодействието на b - частиците с електроните, тъй като масата на b - частиците е значително (с четири порядъка) по-голяма от масата на електроните. Следователно отклонението на b - частиците се дължи на влиянието на атомните ядра върху тях. Е. Ръдърфорд теоретично разглежда проблема с разсейването на b-частиците в полето на Кулон, създадено от положителен заряд, концентриран в ядрото на атома. Потенциалната енергия на взаимодействие на b-частиците с такова ядро е , където е броят на положителните заряди на ядрото. Броят на частиците, разпръснати за единица време на единица телесен ъгъл dSch (dSh = sinИ dИ dц ) се определя по формулата: ,
където n е плътността на потока b - частици (броят частици за единица време на единица площ); u е ъгълът на разсейване на b-частиците, е тяхната енергия. От формулата следва, че за даден фолиен материал, плътност на потока и определена енергия на 6-частици, стойността на , което беше потвърдено от експериментите.
В допълнение, формулата на Ръдърфорд позволи да се определи броят на положителните заряди в ядрото на атомите на материала на разсейващото фолио: той се оказа равен на Z, поредния номер на елемента в периодичната таблица на Менделеев. Освен това от неутралността на атома пряко следва, че броят на електроните в атома също е равен на Z.
Въз основа на резултатите от експерименти за разсейване на b-частици от тънкиметални фолиа, Ръдърфорд предложи ядрен (или планетарен) модел на атома: в ядрото на атом с размер
10 -14 h 10 -15 m, т.е. в област, много по-малка от размера на атом (
10 -10 m), целият положителен заряд Zqe и практически цялата маса на атома е концентрирана. Около ядрото в района
10 -10 m Z електрони се въртят в затворени орбити. Следователно нетният положителен заряд е равен на нетния отрицателен заряд и атомът като цяло е електрически неутрален. Ядреният модел на Ръдърфорд по своята структура наподобява слънчевата система: в центъра на системата има масивно ядро - "слънцето", около него в орбити се въртят планети - електрони. Оттук и второто име на този модел - "планетарен".
Ръдърфорд стигна до модел с електрони, въртящи се около ядрото, защото статичен модел на атома не може да съществува. Според теоремата на Ърншоу на класическата електростатика, система от фиксирани електрически заряди, разположени на крайно разстояние един от друг, не може да бъде в състояние на стабилно равновесие само под въздействието на кулонови сили. В този случай моделът с електрони, въртящи се около ядрото, води до необходимостта от постоянно излъчване на електромагнитни вълни от електроните на атома. Помислете например за движението на електрон около протон. Съгласно втория закон на Нютон и тъй като движението на електрона е равномерно ускорено, възниква радиация и се получава постоянна загуба на енергия. Следователно електронът не може да остане в кръгова орбита и се движи спираловидно към ядрото. В този случай енергията намалява постепенно, честотата на излъчване се променя по непрекъснат закон, а електромагнитното излъчване на атомите трябва да има непрекъснат спектър. В действителност излъчването на атомите е набор от отделни линии, т.е. емисионен спектър на атоми -управлявал.
Така можем да формулираме следните противоречия между класическия модел на Ръдърфорд за структурата на атома и реално наблюдаваните явления:
Според модела на Ръдърфорд:
1. Системата "ядро - електрон" е нестабилна.
Атомите са стабилни образувания
2. Електроните на атомите излъчват постоянно.
Атомите излъчват само при определени условия.
3. Спектърът на излъчване на атомите е непрекъснат.
Излъчването на атомите винаги има линеен спектър, който зависи от структурата и свойствата на атомите на различни вещества.
Така че моделът на Ръдърфорд не може да обясни многобройните експериментални резултати при изследване на емисионните спектри на газовете. Известно е, че емисионните спектри на газовете са отделни линии или групи (серии) от близко разположени линии и всеки газ има свой собствен линеен спектър. I. Balmer (1885) изследва радиационния спектър на водорода и установява, че спектърът може да се опише със следната формула (наричана по-нататък формулата на Balmer):
където R = ·c = 3,29·10 15 s -1 е константата на Ридберг; m, n са цели числа.
В този случай n = m + 1, m + 2, m + 3 ..., числото m определя серията, а n - отделните линии в спектъра.
При изследване на емисионните спектри на различни газове са получени следните емпирични формули, които потвърждават експерименталните данни с висока степен на точност, но нямат теоретична обосновка: