Модель атома Томсона. Модель атома Резерфорда. Атомные спектры. Лекция 12

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
МОДЕЛЬ АТОМА ТОМСОНА
Сэр Джозеф Джон Томсон
( 1856 —1940)
английский физик, открывший электрон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 г.
Атом Томсона:
Стабилен.
Теория Томсона давала размеры атомов близкие к истинным.
Не объясняет атомных спектров.
В 1897 г. Дж. Дж. Томсон открыл электрон
В 1903 г. Дж. Дж. Томсон предложил модель атома «пудинг с изюмом»
R≈3∙10-10м
R

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА
Эрнест Резерфорд
(1871-1937)
британский физик новозеланд-ского происхождения. Известен как «отец» ядерной физики.
Geiger–Marsden experiment or
Rutherford experiment
Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА
Geiger–Marsden experiment or
Rutherford experiment
Атомное ядро открыл английский физик Резерфорд в 1911 году в опытах по изучению рассеяния α- частиц на тонких фольгах (1909, Гейгер, Марсден).
Небольшая доля α- частиц отклонялась на большие углы (до 1800). Резерфорд предположил, что в центре атома расположено тяжелое (до 99,98% массы атома) положительно заряженное ядро очень малых размеров (10-13 - 10-12 см).
Вокруг ядра на относительно очень больших расстояниях (~10-8 см) вращаются Z электронов. Z - порядковый номер элемента в периодической таблице Менделеева.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА
Модель названа ядерной или планетарной. Строение атома напоминает Солнечную систему. Роль Солнца выполняет ядро, роль планет – электроны, роль гравитационного притяжения – кулоновское взаимодействие между ядром и электронами.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА
Таким образом приходим к выводу, что окружающие нас материальные тела состоят в основном из пустоты.
Попробуйте ответить на два вопроса:
Почему стекло прозрачное?
Почему дерево, метал, камни – не прозрачные?

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА
1. Модель не удовлетворяет условию устойчивости.
Заряженная частица, движущаяся с ускорением, в соответствии с законами электродинамики должна тратить энергию на излучение. Из-за потерь энергии электрон должен в итоге упасть на ядро.
2. Модель допускает испускание атомами светового излучения любой длины волны.
Противоречия модели.
Из опытов было известно, что конкретные атомы испускают излучение только строго определенных длин волн.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
Излучение невзаимодействующих друг с другом атомов состоит из отдельных спектральных линий. Такой спектр называется линейчатым
Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов.
Исследования показали: линии в спектрах атомов расположены не беспорядочно, а объединяются в группы или серии линий.
АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ.
Отчетливее всего это обнаруживается в спектре простейшего атома – водорода. Швейцарский физик Бальмер в 1885 году обнаружил, что длины волн в видимой и близкой ультрафиолетовой области спектра излучения водорода могут быть точно представлены формулой

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
Если заменить длину волны частотой, получится:
R′ – постоянная Ридберга. R′ = 2.07·1016 c-1.
Это формула Бальмера, а соответствующая серия спектральных линий атома водорода называется серией Бальмера.
АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ.
В спектре атома водорода кроме серии Бальмера есть еще серии.
В ультрафиолетовой части спектра - серия Лаймана. Формула линий -
(n = 3, 4, 5,…)
(n=2, 3, 4,…)
В справочниках часто приводится R = 1,09737·107 м-1, входящая в формулу вида
R′′ = Rc = 3,29·1015 c-1.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
И т.д. Частоты всех линий в спектре атома водорода можно представить одной формулой - обобщенной формулой Бальмера
АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ.
В этой формуле m = 1 для серии Лаймана, 2 для серии Бальмера и т.д. При заданном m число n принимает все целые значения, начиная с m+1.
В инфракрасной части спектра находится серия Пашена. Линии этой серии описываются формулой
(n=4, 5, 6,…)
Приведенные формулы подобраны эмпирически и долго не имели теоретического обоснования, хотя и были подтверждены экспериментально с высокой точностью.
Простой вид формул, универсальность постоянной Ридберга свидетельствуют о глубоком физическом смысле найденных закономерностей, открыть которые в рамках классической физики оказалось невозможным.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
Цель Бора: создать теорию, которая связала бы в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, устойчивость ядерной модели атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света.
ПОСТУЛАТЫ БОРА
Основа теории Бора - два постулата:
Нильс Бор (датский физик), 1913 год - попытка построить качественно новую – квантовую – теорию атома.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ПОСТУЛАТЫ БОРА
(правило частот Бора),
Постулат Бора о наличии дискретных энергетических уровней у атомов подтверждается многими экспериментами, в частности, опытами Франка и Герца (1913-1914 гг).
Еn
Em
Еn
Em
Поглощение энергии
Излучение энергии

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ПОСТУЛАТЫ БОРА
Нильс Хе́нрик Дави́д Бор ( 1885 — 1962) датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922).

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА
Схема опыта (1913 г)
К
А
Г
П
I
С
В
Uз
U
К - катод
А - анод
В - вольтметр
Г - гальванометр
П - потенциометр
I - анодный ток

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА
Результаты опыта
4.9
0
1) Uз = 0.5 В, . 0.5 В < U < 4.9 В
Исследовалась зависимость анодного тока от разности потенциалов между катодом и сеткой.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА
Результаты опыта
2) Uз = 0.5 В, . U > 4.9 В
Электроны отдают часть энергии атомам, их энергия уменьшается, снижается анодный ток.
4.9
0

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА
Результаты опыта
9.8
14.7
При значениях U, кратных 4.9 В электроны могут несколько раз испытывать неупругие столкновения, отдавая каждый раз по 4.9 В атому ртути.
Это приводит к резкому спаду тока при U, кратных 4.9 В.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА
Результаты опыта
4.9
0
9,8
14,7
В опыте такая линия была обнаружена Комптоном (1922-1923г).
Таким образом, опыт Франка и Герца подтвердил постулаты Бора и показал, что 4.9 В – наименьшая возможная порция энергии (наименьший квант энергии), которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии, что и является проявлением дискретности уровней энергии в атоме.
Обнаружить другие высшие энергетические уровни возбуждения атома (6.7 эВ, 8.3 эВ) в данном опыте сложно.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА
Гу́став Лю́двиг Герц ( 1887 — 1975) — немецкий физик. Племянник знаменитого Генриха Герца.
Джеймс Франк ( 1882 — 1964) — немецко-американский физик.
Нобелевская премия по физике в 1925 г.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ЭЛЕМЕНТАРНАЯ БОРОВСКАЯ ТЕОРИЯ ВОДОРОДНОГО АТОМА
В соответствии с теорией Бора рассмотрим движение электрона в водородоподобной системе, ограничиваясь круговыми стационарными орбитами.
Для круговых орбит условие квантования Бора выглядит следующим образом:

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ЭЛЕМЕНТАРНАЯ БОРОВСКАЯ ТЕОРИЯ ВОДОРОДНОГО АТОМА
Первый член –потенциальная энергия взаимодействия электрона с зарядом -e, с ядром, заряд которого Ze; второй член – кинетическая энергия вращающегося по орбите электрона.
В соответствии со вторым законом Ньютона
Полная квантованная механическая энергия электрона в поле неподвижного ядра в водородоподобном атоме равна:

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ЭЛЕМЕНТАРНАЯ БОРОВСКАЯ ТЕОРИЯ ВОДОРОДНОГО АТОМА
Подставим это выражение в соотношение для полной механической энергии электрона, получим:
Из последнего уравнения следует:
Преобразуем полученное выше уравнение следующим образом.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ЭЛЕМЕНТАРНАЯ БОРОВСКАЯ ТЕОРИЯ ВОДОРОДНОГО АТОМА
После преобразований получим:

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ЭЛЕМЕНТАРНАЯ БОРОВСКАЯ ТЕОРИЯ ВОДОРОДНОГО АТОМА
Боровский радиус атома водорода

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ЭЛЕМЕНТАРНАЯ БОРОВСКАЯ ТЕОРИЯ ВОДОРОДНОГО АТОМА
Значение R, найденное по этой формуле, хорошо совпадает с его значением, найденным экспериментально.

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
ЭЛЕМЕНТАРНАЯ БОРОВСКАЯ ТЕОРИЯ ВОДОРОДНОГО АТОМА
Теория Бора сыграла большую роль в развитии квантовой механики. Однако, она не лишена недостатков:
1. Она внутренне противоречива: с одной стороны, использовалась механика Ньютона, с другой – привлекались чуждые этой механике искусственные правила квантования.
2. «Полуклассическая» или «полуквантовая» теория Бора не смогла также ответить на вопрос, как движется электрон при переходе с одного уровня энергии на другой.
3. Теория не позволяла описывать атомы с числом электронов больше единицы.
Дальнейшее развитие теории микрочастиц привело к убеждению, что движение электрона в атоме нельзя описывать с помощью законов классической механики и что необходима новая теория.
Такая (квантовая) теория была создана к 1927 году усилиями многих ученых, среди которых выдающуюся роль сыграли В.Гейзенберг, Э.Шрёдингер, М.Борн, П.Дирак.

АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ.
4 июля 1054 в созвездии Тельца вспыхнула яркая звезда замеченная и описанная китайскими астрологами. В 1731 году на этом месте английский астроном Джон Бевис обнаружил туманность. В 1758 году ее заново открыл французский астроном Шарль Мессье и включил в свой каталог туманностей как М1. Туманность более известна под названием “Крабовидная туманность”. В 1913 году Весто Слайфер получил первые спектры М1. Линии излучения, которые были видны на фоне непрерывного спектра, оказались раздвоены.
Линии расщепляются из-за излучения атома в сильном магнитном поле – эффект Зеемана, или в сильном электрическом поле – эффект Штарка (Весто Слайфер думал что это эффект Штарка). Что было причиной раздвоения линий излучения в Крабе?

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
РЕКОМЕНДУЮ К ПРОСМОТРУ
BBC. Atom.
Год выхода: 2007 Жанр: Научно-популярный
Рассказчик: Джим Аль-Халили

Общая физика. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
Притча научная
Преподаватель университета обратился к сэру Эрнесту Резерфорду, президенту Королевской Академии и лауреату Нобелевской премии по физике за помощью. Он собирался поставить самую низкую оценку по физике одному из своих студентов, в то время как тот утверждал, что заслуживает высшего балла. Оба — преподаватель и студент — согласились положиться на суждение третьего лица, незаинтересованного арбитра. Выбор пал на Резерфорда. Экзаменационный вопрос гласил: «Объясните, каким образом можно измерить высоту здания с помощью барометра?»
Ответ студента был таким: «Нужно подняться с барометром на крышу здания, спустить барометр вниз на длинной верёвке, а затем втянуть его обратно и измерить длину верёвки, которая и покажет точную высоту здания».
Случай был и впрямь сложный, так как ответ был абсолютно полным и верным! С другой стороны, экзамен был по физике, а ответ имел мало общего с применением знаний в этой области. Резерфорд предложил студенту попытаться ответить ещё раз. Дав ему шесть минут на подготовку, он предупредил его, что ответ должен демонстрировать знание физических законов. По истечении пяти минут студент так и не написал ничего в экзаменационном листе. Резерфорд спросил его, сдаётся ли он, но тот заявил, что у него есть несколько решений проблемы, и он просто выбирает лучшее. Заинтересовавшись, Резерфорд попросил молодого человека приступить к ответу, не дожидаясь истечения отведённого срока. Новый ответ на вопрос гласил: «Поднимитесь с барометром на крышу и бросьте его вниз, замеряя время падения. Затем, используя формулу, вычислите высоту здания». Тут Резерфорд спросил своего коллегу преподавателя, доволен ли он этим ответом. Тот, наконец, сдался, признав ответ удовлетворительным. Однако студент упоминал, что знает несколько ответов, и его попросили открыть их.
— Есть несколько способов измерить высоту здания с помощью барометра, — начал студент. — Например, можно выйти на улицу в солнечный день и измерить высоту барометра и его тени, а также измерить длину тени здания. Затем, решив несложную пропорцию, определить высоту самого здания.
— Неплохо, — сказал Резерфорд. — Есть и другие способы?
— Да. Есть очень простой способ, который, уверен, вам понравится. Вы берёте барометр в руки и поднимаетесь по лестнице, прикладывая барометр к стене и делая отметки. Сосчитав количество этих отметок и умножив его на размер барометра, вы получите высоту здания. Вполне очевидный метод.
— Если вы хотите более сложный способ, — продолжал он, — то привяжите к барометру шнурок и, раскачивая его, как маятник, определите величину гравитации у основания здания и на его крыше. Из разницы между этими величинами, в принципе, можно вычислить высоту здания. В этом же случае, привязав к барометру шнурок, вы можете подняться с вашим маятником на крышу и, раскачивая его, вычислить высоту здания по периоду прецессии. — Наконец, — заключил он, — среди множества прочих способов решения данной проблемы лучшим, пожалуй, является такой: возьмите барометр с собой, найдите управляющего и скажите ему: «Господин управляющий, у меня есть замечательный барометр. Он ваш, если вы скажете мне высоту этого здания».
Тут Резерфорд спросил студента, неужели он действительно не знал общепринятого решения этой задачи. Тот признался, что знал, но сказал при этом, что сыт по горло школой и колледжем, где учителя навязывают ученикам свой способ мышления.
Студент этот был Нильс Бор (1885 – 1962), датский физик, лауреат Нобелевской премии 1922 г.