Реферат: Элементы квантовой механики Атом Резерфорда – Бора и гипотеза де Бройля Ядерная модель атома

Элементы квантовой механики


Атом Резерфорда – Бора и гипотеза де Бройля


Ядерная модель атома Резерфорда


Введение. В 19 веке впервые были открыты явления, обнаруживающие сложность строения и свойств атомов, которые до этого рассматривались как мельчайшие частицы вещества. Так в 1833 году М. Фарадей установил, что ток в растворе электролита – это упорядоченное движение заряженных частиц (ионов), минимальный заряд которых примерно равный е = 1,60∙10-19 Кл был назван элементарным электрическим зарядом. Поскольку в обычных условиях атомы являются электронейтральными, то естественно было предположить, что в их состав входят и какие-то положительно заряженные частицы. В 1896 году французский ученый Беккерель обнаружил явление естественной радиоактивности солей урана. Это явление исследовали Пьер и Мария Кюри, доказав, что из атомов вылетают и электроны, и положительно заряженные частицы (впоследствии названные α-частицами). На сложную структуру атомов указывали спектроскопические исследования, которые привели к открытию линейчатых спектров атомов. В начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в излучении атомов водорода в видимой части спектра, и впоследствии были установлены математические закономерности, связывающие длины волн этих линий (И. Бальмер, 1885 г.). В 1897 году Дж. Томсон открыл электрон и измерил отношение e/m заряда электрона к массе. Опыты Томсона подтвердили вывод о том, что электроны входят в состав атомов, причем носителями отрицательного заряда атомов являются легкие электроны, масса которых составляет лишь малую долю массы атомов. Основная часть массы атомов связана с положительным зарядом.

В первой модели атома Дж. Томсона (1903 г.) атом рассматривался как заполненный положительным электричеством шар, внутри которого находились электроны. Атом в целом был электронейтрален. Однако в дальнейшем выяснилась несостоятельность этой модели.

^ Опыты Резерфорда. Эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов впервые были выполнены Э. Резерфордом c сотрудниками в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Они являются положительно заряженными частицами с зарядом 2е и массой, примерно в 7300 раз большей массы электрона. Пучки α-частиц обладают высокой монохроматичностью (для данного превращения имеют практически одну и ту же скорость порядка 107 м/с). Резерфорд, исследуя прохождение α-частиц в веществе (через золотую фольгу толщиной примерно 1 мкм), показал, что основная их часть испытывает незначительные отклонения, но некоторые α–частицы, как показано на рис. 11.1 (примерно одна из 20 000), резко отклоняются от первоначального направления (углы отклонения достигали даже 180°). Так как электроны не могут существенно изменить движение столь тяжелых и быстрых частиц, как α-частицы, то Резерфордом был сделан вывод, что значительное отклонение α-частиц обусловлено их взаимодействием с положительным зарядом большой массы. Одна­ко, значительное отклонение испытывают лишь немногие α-частицы; следователь­но, лишь некоторые из них проходят вблизи данного положительного заряда. Это, в свою очередь, означает, что положительный заряд атома сосредоточен в объеме, очень малом по сравнению с объемом атома. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром.



Рис. 11.1. Рассеяние α–частицы в опыте Резерфорда. 1 – атом золота, 2 - α–частицы.

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

^ Ядерная модель атома. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны (рис. 11.2). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.



Рис. 11.2 Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырёх электронов.

^ Недостатки модели атома по Резерфорду. Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, явилась крупным шагом в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц. Однако применение представлений классической электродинамики к ядерной модели атома привело к полному противоречию с экспериментальными фактами. Согласно классической теории, должна иметь место: 1) непрерывная потеря электроном энергии в виде излучения электромагнитных волн и неустойчивость атома, поскольку движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию; 2) существование только непрерывного спектра. Дискретные спектральные линии не должны наблюдаться. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.