Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов — в помощь студенту

Когда вы только начинали изучать
физику, мы говорили о том, что все тела состоят из мельчайших частиц — атомов и
молекул. Такое предположение было высказано ещё древнегреческим философом
Демокритом около двух с половиной тысяч лет назад.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Он предположил, что если
делить вещество на всё более мелкие части, то в конце концов останется частица,
которая сохраняет свойства данного вещества, но поделить её уже было бы нельзя.

Вот эту самую маленькую частицу Демокрит и назвал атомом, что в переводе
с греческого означает «неделимый».

Но примерно с середины 19 века
стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления
о неделимости атомов.

Одним из первых таких доказательств стало открытие в
тысяча восемьсот девяносто шестом году Анри Беккерелем естественной
радиоактивности
.

Это открытие оказалось случайным, поскольку на самом деле
Беккерель изучал воздействие солнечного излучения на различные соли и минералы.

В это время уже было известно такое
явление, как фосфоресценция, то есть свечение некоторых веществ, возникающее
после их облучения солнечными лучами.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  угасание микенской цивилизации - в помощь студенту

Оценим за полчаса!

Так вот, экспериментируя с солями
урана, Беккерель завернул фотопластинку в плотную чёрную бумагу, положил на неё
сверху маленький кусочек урановой соли и выставил всё это на солнечный свет.

После проявления фотопластинки на ней обнаружилось тёмное пятно на том месте,
где лежала крупинка соли. Беккерель полагал, что это следствие явления
фосфоресценции.

Но однажды из-за облачной погоды опыт пришлось отложить, и
пластинка с солью урана была помещена в светонепроницаемый ящик стола.
Несколько дней спустя Беккерель на всякий случай проявил фотопластинку и с
удивлением обнаружил на ней тёмное пятно. Учёный понял, что соли урана
самопроизвольно без всякого освещения излучают какие-то неизвестные лучи.

Многие учёные стали повторять
опыты Беккереля, и прежде всего супруги Пьер и Мария Кюри. Они пытались
проверить, нет ли среди веществ, не исследованных Беккерелем, таких, которые
обладают таинственными свойствами урана.

В первых экспериментах поиски
велись с помощью электроскопа. Вам уже известно, что воздух — это изолятор,
поэтому положение листочков заряженного электроскопа не должно меняться. Но
если воздух подвергнуть действию излучения, тогда он становится проводником.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Этим свойством излучения и
воспользовались учёные для поиска новых радиоактивных элементов. Мария Кюри
подносила к заряженному электроскопу различные минералы и смотрела, как ведут
себя его листочки.

В 1898 году было обнаружено, что подобные лучи испускает ещё
один элемент — торий. В том же году супруги Кюри выделили из урановой смоляной
руды два новых химических элемента — радий и полоний.

Именно от радия и
произошёл термин «радиоактивность».

Радиоактивность — это
способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному
излучению.

Такую радиоактивность ещё
называют естественной радиоактивностью.

В 1899 году английский физик
Эрне́ст Резерфорд провёл серию опытов, в результате которых было обнаружено,
что радиоактивное излучение имеет сложный состав. Суть его опытов такова.
Резерфорд построил установку, которая представляла собой толстостенный
свинцовый ящик с прорезью. Внутрь ящика помещались крупицы радия.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Из ящика сквозь узкое отверстие
выходил направленный и сфокусированный пучок радиоактивного излучения и попадал
на фотопластинку. После проявления фотопластинки на ней обнаруживалось одно
тёмное пятно в том месте, куда попадал пучок.

Затем всю установку Резерфорд
поместил в сильное магнитное поле.

Он рассуждал так: если радиоактивное
излучение является потоком частиц с положительным зарядом, то под действием сил
магнитного поля поток частиц отклонится вверх.

Если радиоактивное излучение —
это поток частиц, имеющих отрицательный заряд, то он отклонится вниз. Ну а если
это поток частиц, не имеющих заряда, то пучок не будет отклоняться.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Каково же было удивление
Резерфорда, когда после проявления на фотопластинке были обнаружены три пятна:
центральное, которое было и раньше, и два дополнительных — по разные стороны от
центрального. Отсюда следовало, что в пучке излучения действительно
присутствовали частицы, обладающие зарядами противоположных знаков.

Положительно заряженные
частицы были названы α-частицами, а отрицательно заряженные — β-частицами.
Центральный поток, очевидно, представлял собой излучение, не содержащее
заряженных частиц. Это излучение получило название γ-излучения.

Также Резерфорду удалось
доказать, что α-излучение является потоком атомов гелия, потерявших
оба своих электрона. При этом путь α-частиц в воздухе не велик, и он полностью
задерживается простым листом бумаги.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

В том же году Беккерель
доказал, что β-лучи являются потоком электронов. Этот поток имеет большую
проникающую способность и задерживается лишь цинковой пластинкой толщиной
несколько миллиметров.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

В 1900 году французский физик Поль
Виллар установил, что третья составляющая радиоактивного излучения представляет
собой электромагнитное излучение с очень малой длиной волны. Гамма-лучи легко
проходят через вещество, и чтобы их остановить, нужна либо свинцовая пластинка,
толщиной в 5 сантиметров, либо 30 сантиметров бетона, или же 60 сантиметров
грунта.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Явление радиоактивности, то
есть самопроизвольное излучение веществом α-, β- и γ-излучений, наряду с другими экспериментальными
фактами, послужило основанием для предположения о том, что атомы вещества имеют
сложный состав. И что скорее всего, в состав атома входят отрицательно и
положительно заряженные частицы. Кроме того, было известно, что атом в целом электрически
нейтрален.

Опираясь на эти и некоторые
другие факты англичанин Джозеф Джон Томсон в тысяча девятьсот третьем году
предложил одну из первых моделей атома. Согласно его модели, атом представляет
собой однородный шар из положительно заряженного вещества, внутри которого
находятся электроны.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Причём число электронов
полностью компенсирует суммарный положительный заряд атома. Эта модель чем-то
напоминала булочку с изюмом. Отсюда и произошёл термин «пудинговая модель
атома
».

Однако модель строения атома
по Томсону нуждалась в проверке, в частности важно было проверить,
действительно ли положительный заряд распределён по всему объёму атома.

Поэтому в тысяча девятьсот
одиннадцатом году Эрнестом Резерфордом была проведена серия опытов по изучению
состава и строения атома. Суть опыта достаточно проста. Резерфорд брал
свинцовый сосуд, внутри которого находился радиоактивный элемент, испускающий α-частицы
через узкое отверстие в сосуде.

Для регистрации этих самых
частиц учёный использовал экран, на который была нанесена тонкая плёнка
специального вещества. α-частицы, взаимодействуя с этим веществом, вызывали
кратковременные вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп. Такой метод
регистрации частиц называется методом сцинциляций (то есть вспышек).

Итак, чтобы устранить
рассеяние альфа-частиц на молекулах воздуха, Резерфорд поместил всю установку в
сосуд, из которого был откачан воздух. Если на пути частиц нет никаких
препятствий, то они попадают на экран узким пучком, а возникающие вспышки
сливаются в одно небольшое световое пятно.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Однако если на пути α-частиц
поместить тонкую золотую фольгу, то при взаимодействии с ней, площадь пятна увеличивалась.
Это свидетельствовало о рассеянии α-частиц.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Но Резерфорд на этом не
остановился. Он немного модифицировал исходную установку, с целью выяснить:
могут ли α-частицы отклоняться на ещё большие углы. Для этого,
он окружил фольгу экранами и повторил опыт. К его великому удивлению, некоторые
частицы отклонились на углы, превышающие 90о. То есть, фактически
небольшое число частиц были отброшены назад.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Действительно, такой результат
предвидеть было очень сложно, поскольку расчёты говорили о том, что
электрическое поле положительного заряда, распределённого по всему атому, не
может быть достаточно сильным, чтобы отбросить α-частицу назад.

А поскольку
масса электрона почти в 8000 раз меньше массы α -частицы, то и они не могли
существенно поменять траекторию α -частиц. Это навело учёного на мысли о том, что более
99,9 % массы и весь положительный заряд атома сосредоточены в чрезвычайно малой
области в его центре.

Эта область была названа ядром атома.

  • И только те немногие частицы,
    которые пролетают рядом с ядром атома, отклоняются на большие углы.
  • На основании своих опытов
    Резерфорд смог оценить размеры атома и его ядра.

Все эти данные привели
Резерфорда к созданию ядерной (или планетарной) модели атома, о которой
вы уже не раз слышали. Напомним, что в этой модели в центре атома находится
положительно заряженное ядро, а вокруг него, подобно планетам вокруг Солнца,
вращаются электроны.

После открытия Резерфордом атомного
ядра многочисленные эксперименты подтвердили, что атомные ядра, так же, как и
сами атомы, имеют сложную структуру.

Источник: https://videouroki.net/video/44-radioaktivnost-modeli-atomov.html

Планетарная модель атома – ответы на главные вопросы

FAQ Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студентуЧто это? Это модель атома Резерфорда. Она названа в честь британского физика новозеландского происхождения Эрнеста Резерфорда, который в 1911 году возвестил об открытии ядра. В ходе своих экспериментов по рассеянию альфа-частиц на тонкой металлической фольге он обнаружил, что большинство альфа-частиц напрямую проходили сквозь фольгу, но некоторые отскакивали. Резерфорд предположил, что в районе той небольшой области, от которой они отскакивали, находится положительно заряженное ядро. Это наблюдение привело его к описанию той структуры атома, которая с поправками на квантовую теорию принимается и сегодня. Подобно тому, как Земля вращается вокруг Солнца, электрический заряд атома сосредоточен в ядре, вокруг которого вращаются электроны противоположного заряда, а электромагнитное поле удерживает электроны на орбите ядра. Поэтому модель называется планетарной.Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

До Резерфорда существовала другая модель атома ― модель вещества Томпсона. В ней не было ядра, она представляла собой положительно заряженный «кекс», наполненный «изюминками» — электронами, которые в нем свободно вращались. Кстати, именно Томпсон и открыл электроны. В современной школе, когда начинают знакомиться с квантовой механикой, всегда начинают с этой модели.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студентуМодели атома Резерфорда (слева) и Томпсона (справа)

Квантовая модель, которая сегодня описывает структуру атома, конечно, отличается от той, которую придумал Резерфорд. В движении планет вокруг Солнца нет квантовой механики, а в движении электрона вокруг ядра она есть. Однако понятие орбиты до сих пор осталось в теории строения атома.

Но после того, как стало известно, что орбиты квантуются, то есть между ними нет непрерывного перехода, как думал Резерфорд, называть такую модель планетарной стало некорректно.

Резерфорд сделал первый шаг в правильном направлении, и развитие теории строения атома пошло по тому пути, который он наметил.

Чем это интересно для науки? Эксперимент Резерфорда открыл ядра. Но все, что мы о них знаем, мы узнали после. Его теория развивалась в течение многих десятилетий, и в ней кроются ответы на фундаментальные вопросы о строении материи.

В модели Резерфорда быстро обнаружили парадоксы, а именно: если заряженный электрон вращается вокруг ядра, то он должен излучать энергию.

Мы знаем, что тело, которое движется по кругу с постоянной скоростью, все равно ускоряется, потому что вектор скорости все время поворачивает. А если заряженная частица движется с ускорением, она должна излучать энергию.

Это значит, что она должна практически мгновенно потерять ее всю и упасть на ядро. Поэтому классическая модель атома не до конца согласуется сама с собой.

Тогда стали появляться физические теории, которые пытались преодолеть это противоречие. Важное дополнение в модель строения атома внес Нильс Бор. Он обнаружил, что вокруг атома существует несколько квантовых орбит, по которым перемещается электрон. Он предположил, что электрон излучает энергию не все время, а только перемещаясь с одной орбиты на другую.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студентуFAQ: История открытия антиматерииПланетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

А вслед за боровской моделью атома появился принцип неопределенности Гейзенберга, который наконец объяснял, почему падение электрона на ядро невозможно.

Гейзенберг обнаружил, что в возбужденном атоме электрон находится на дальних орбитах, а в момент, когда он излучает фотон, он падает на основную орбиту, потеряв свою энергию.

Читайте также:  Инвентаризация материально-производственных запасов - в помощь студенту

Атом же переходит в устойчивое состояние, при котором электрон будет вращаться вокруг ядра до тех пор, пока его ничто не возбуждает снаружи. Это стабильное состояние, дальше которого электрон падать не будет.

Благодаря тому, что основное состояние атома — это устойчивое состояние, материя существует, мы все существуем. Без квантовой механики у нас вообще не было бы устойчивой материи.

В этом смысле основной вопрос, который неспециалист может задать квантовой механике, — это почему все вообще не падает? Почему все вещество не собирается в точку? И квантовая механика способна ответить на этот вопрос.

Зачем это знать? В некотором смысле эксперимент Резерфорда повторился снова при открытии кварков. Резерфорд открыл, что положительные заряды — протоны — сосредоточены в ядрах.

А что внутри протонов? Теперь мы знаем, что внутри протонов находятся кварки.

Мы узнали это, проведя аналогичный эксперимент по глубокому неупругому рассеянию электронов на протонах в 1967 году в SLAC (Национальной ускорительной лаборатории, США).

Этот эксперимент проводился по тому же принципу, что и эксперимент Резерфорда. Тогда падали альфа-частицы, а здесь электроны падали на протоны. В результате столкновения протоны могут оставаться протонами, а могут возбудиться из-за большой энергии, и тогда при рассеянии протонов могут рождаться другие частицы, например пи-мезоны.

Выяснилось, что это сечение ведет себя так, как будто внутри протонов есть точечные составляющие. Сейчас мы знаем, что эти точечные составляющие — кварки. В каком-то смысле это был опыт Резерфорда, но уже на следующем уровне. С 1967 года мы уже имеем кварковую модель. Но что будет дальше, мы не знаем. Теперь нужно что-то рассеивать на кварках и смотреть, на что они развалятся.

Но это следующий шаг, пока это сделать не удается.

Три парадокса квантовой механики

Кроме того, с именем Резерфорда связан важнейший сюжет из истории отечественной науки. В его лаборатории работал Петр Леонидович Капица.

В начале 1930-х ему запретили выезжать из страны, и он был вынужден остаться в Советском Союзе. Узнав об этом, Резерфорд переслал Капице все приборы, которые были у него в Англии, и таким образом помог создать в Москве Институт физических проблем.

То есть благодаря Резерфорду состоялась существенная часть советской физики.

Источник: https://postnauka.ru/faq/77646

Строение атома. Опыты Резерфорда — Класс!ная физика

«Физика — 11 класс»

Открытие сложного строения атома — важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц — законы квантовой механики.

Модель Томсона

Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью.

  • Простейший атом (атом водорода) представляет собой положительно заряженный шар радиусом около 10-8 см, внутри которого находится электрон.
  • Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с известными уже к тому времени свойствами атома, главным из которых является устойчивость.
  • Опыты Резерфорда

У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок выполняют электроны.

Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α-частиц.

Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона.

Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия.

Скорость α-частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию а-частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может значительно изменить его скорость.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Рассеяние (изменение направления движения) α-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α-частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома.

Схема опытов Резерфорда:

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок -частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.).

После рассеяния α-частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4.

Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α-частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, α-частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади.

Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α-частиц на большие углы. Для этого он окружил фольгу сцинтилляциоными экранами и определил число вспышек на каждом экране. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число α-частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°.

Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам провести эксперимент по наблюдению за рассеянием α-частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат.

В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицу назад.

Максимальная сила отталкивания может быть определена по закону Кулона:

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

где — заряд α-частицы; q — положительный заряд атома; R — его радиус; k — коэффициент пропорциональности.

Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому чем меньше радиус R, тем больше сила, отталкивающая α-частицы.

Определение размеров атомного ядра

Резерфорд понял, что α-частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к мысли о существовании атомного ядра — тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

На рисунке показаны траектории α-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.

Подсчитывая число α-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10-12—10-13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10-8 см, т. е. в 10—100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра.

При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Планетарная модель атома

На основе своих опытов Резерфорд создал планетарную модель атома. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален.

Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро.

Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца.

Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза бо́льшую массы электрона.

Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица.

Размер атома водорода — это радиус орбиты его электрона.

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию α-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым.

Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы.

  1. Как показывают расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10-8 с) должен упасть на ядро.
  2. В действительности ничего подобного не происходит.
  3. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.

Атом должен прекратить свое существование.

Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение — это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к таким явлениям законы классической физики неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атома.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Атомная физика. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Строение атома. Опыты Резерфорда — Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. Трудности теории Бора. Квантовая механика — Лазеры — Краткие итоги главы

Источник: http://class-fizika.ru/11_68.html

Модель атома Резерфорда и её недостатки

Создание Резерфордом планетарной, или ядерной, модели атома было крупным шагом вперед в познании строения атома. Но в некоторых случаях эта теория вступала в противоречие с твердо установленными фактами.

Так планетарная модель не могла объяснить устойчивости атома. Вращаясь вокруг ядра, электрон должен часть своей энергии испускать в виде электромагнитных колебаний, что должно привести к нарушению равновесия между электростатическим притяжением электрона к ядру и центробежной силой, обусловленной вращением электрона вокруг ядра.

Для восстановления равновесия электрон должен переместиться ближе к ядру. Следовательно, непрерывно излучая электромагнитную энергию, электрон должен постепенно приближаться к ядру и в конце концов упасть на него — существование атома должно прекратиться. В действительности атом очень устойчив и может существовать бесконечно долго.

Модель Резерфорда не могла объяснить также характер атомного спектра. Известно, что солнечный свет, проходя через стеклянную призму, образует спектр — цветную полосу, содержащую все цвета радуги.Это явление объясняется тем, что солнечный свет состоит из электромагнитных волн различных частот.

Волны различных частот неодинаково преломляются призмой, что приводит к образованию сплошного спектра.Аналогично ведет себя свет, излучаемый раскаленными жидкостями и твердыми телами. Спектр раскаленных газов и паров представляет собой отдельные цветные линии, разделенные темными промежутками, — линейчатый спектр.

При этом атомы одного элемента дают вполне определенный спектр, отличающийся от спектра другого элемента.Линейчатый характер спектра водорода не согласуется с теорией Резерфорда, так как излучающий энергию электрон должен приближаться к ядру непрерывно, и его спектр должен быть непрерывным, сплошным.

Следовательно, планетарная модель атома не могла объяснить ни устойчивости атомов, ни линейчатый характер спектра газов и паров.

Постулаты Бора

Атом может находиться только в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.

Электрон в атоме, не теряя энергии, двигается по определённым дискретным круговым орбитам для которых момент импульса квантуется: Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту , где n — натуральные числа, а — постоянная Планка. Пребывание электрона на орбите определяет энергию этих стационарных состояний.

При переходе электрона с орбиты (энергетический уровень) на орбиту излучается или поглощается квант энергии hν = EnEm, где En;Em — энергетические уровни, между которыми осуществляется переход. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается, при переходе с нижнего на верхний — поглощается.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

22 Теория Бора для водородоподобных сил

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту Бо́ровская моде́ль а́тома (Моде́ль Бо́ра) — полуклассическая модельатома, предложенная Нильсом Бором в 1913 г. За основу он взял планетарную модель атома, выдвинутую Резерфордом. Однако, с точки зрения классической электродинамики, электрон в модели Резерфорда, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать непрерывно, и очень быстро, потеряв энергию, упасть на ядро. Чтобы преодолеть эту проблему Бор ввел допущение, суть которого заключается в том, что электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, находясь на которых они не излучают, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. Причем стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка[1]: .

Используя это допущение и законы классической механики, а именно равенство силы притяжения электрона со стороны ядра и центробежной силы, действующей на вращающийся электрон, он получил следующие значения для радиуса стационарной орбиты Rn и энергии En находящегося на этой орбите электрона:

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Здесь me — масса электрона, Z — количество протонов в ядре, ε0 — диэлектрическая постоянная, e — заряд электрона.

Именно такое выражение для энергии можно получить, применяя уравнение Шрёдингера, решая задачу о движении электрона в центральном кулоновском поле.

Радиус первой орбиты в атоме водорода R0=5,2917720859(36)×10−11 м[2], ныне называется боровским радиусом, либо атомной единицей длины и широко используется в современной физике.

Энергия первой орбиты E0 = − 13.6 эВ представляет собой энергию ионизации атома водорода.

23 Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов.

В 1924г Луи де-Бройль высказал гипотезу, согласно которой дуализм (двойственность) св-в присущи не только оптическим явлениям, но и к материи вообще.

В частности с потоком электронов связан волновой процесс, который влияет на поведение электрона как частицу, заряд и масса которой локализованы в малом объеме пространства так, что ведет себя как точечный заряд.

Д-Бройль показал, как можно определить длинну электронной волны по аналогии с длинной волны фотона.

Pф=m(индекс ф)c=hνc/c (c.2)=hν/c=h/λ; λ(инд.c)=h/P(индекс е)=

=h/m(инд. с) v(инд.с) (1). Длина волны, определяемая (1) называется дебройлевой длиной волны. Д-Бройль попробовал объяснить 1-й постулат Бора – постулат квантования. Согласно д-Бройлю, стационарными являются такие орбиты электрона, у которых вдоль периметра укладывается целое число волн д-Бройля. Т.е. вдоль орбиты устанавливается стоячая волна. 2πr = nλ(индекс с), 2π r = nh/mv;

mvr = nh/2π=nh(в).

Джемер и Дэвисон впервые обнаружили дифракцию электронов при рассеянии их на монохроматические никеля. Электроны, ускоренные разностью потенциалов U, вылетали из эл. пушки в виде узкого пучка, и фокусировались на клисталлической пластинке. Рассеяные электроны улавливались ловушкой цилиндра Фарадея, соединенного с чувствительным гальванометром.

Читайте также:  Понятие, классификация и оценка нематериальных активов - в помощь студенту

Электроны отдавали свой заряд ловушке и устанавливалась зависимость J от √U. Сила тока J является мерой отраженных от пластины электронов, а √U – мера их скорости.

mv 2/2=eU; √U~v. Т.о. от кристалла отражаются лишь электроны определенных скоростей. Кристалл представляет собо пространственную дифракционную решетку, в которой источники вторичных волн, т.е. частицы в узлах кристаллической решетки, находятся на строго определенных расстояниях вдоль координатных осей.

При прохождении через кристалл электро-магнитного излучения, частицы в узлах кристаллической решетки испускают вторичные волны, которые, налагаясь, образуют максимум и минимум дифракции.

То, что от кристалла отражались лишь электроны определенных скоростей означало, что на кристалл падает излучение, представляющее собой волновой процесс, в его избирательное отражение есть результат дифракции.

24. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Во всех макроскопических системах электрон ведет себя как частица, локализованная в малом объеме, обладающая определенной координатой и скоростью. При движении электрона в атоме проявляются его волновые свойства в большей степени, как и во всех микроскопических частицах, но волна не локализована в пространстве, а безгранична.

Пусть электроны движутся в направлении ОА со скоростью Vx и встречают узкую щель ВС с шириной а. DE – экран, на который будут попадать электроны. Т.к.

электроны обладают волновыми свойствами, то при прохождении через узкую щель они дифрагируют, в результате чего электроны будут попадать не только в точки экрана DE, расположенные непосредственно за щелью, но распределяется по всему экрану. Представим, что электрон – классическая частица.

Она характеризуется координатой и количеством движения. Можно охарактеризовать координату электрона в момент прохождения щели как координату щели. В таком определении координаты, однако, есть неточность, обусловленная шириной щели. Обозначим эту неопределенность через ∆x=a. После прохождения щели составляющая импульса Px≠0, т.к.

вследствии дифракции изменяется скоростью. Составляющая импульса электрона не может быть определено точно, а лишь с некоторой погрешностью ∆Px≥Psinφ1=Pλ/a=hλ/λa=h/a; ∆Px*∆x≥h (1) – соотношение неопределенностей Гейзенберга.

25.Квантовое состояние. Уравнения Шредингера

  • Пусть волновая функция задана в N-мерном пространстве, тогда в каждой точке с координатами Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту , в определенный момент времени t она будет иметь вид . В таком случае уравнение Шрёдингера запишется в виде:
  • где , — постоянная Планка; — масса частицы, — внешняя по отношению к частице потенциальная энергия в точке , — оператор Лапласа (или лапласиан), эквивалентен квадрату оператора набла и в n-мерной системе координат имеет вид:
  • [править]Случай трёхмерного пространства
  • В трёхмерном случае пси-функция является функцией трёх координат и в декартовой системе координат заменяется выражением
  • тогда уравнение Шрёдингера примет вид:
  • где , — постоянная Планка; — масса частицы, — потенциальная энергия в точке
  • [править]Стационарное уравнение Шрёдингера
  • Форма уравнения Шрёдингера показывает, что относительно времени его решение должно быть простым, поскольку время входит в это уравнение лишь через первую производную в правой части. Действительно, частное решение для специального случая, когда не является функцией времени, можно записать в виде:
  • где функция должна удовлетворять уравнению:

которое получается из уравнения Шрёдингера (1) при подстановке в него указанной выше формулы для (2). Заметим, что это уравнение вообще не содержит времени; в связи с этим оно называется стационарным уравнением Шрёдингера (уравнение Шрёдингера, не содержащее времени).

Выражение (2) является лишь частным решением зависящего от времени уравнения Шрёдингера (1), общее решение представляет собой линейную комбинацию всех частных решений вида (2).

Зависимость функции от времени проста, но зависимость её от координаты не всегда имеет элементарный вид, так как уравнение (3) при одном выборе вида потенциальной функции совершенно отличается от того же уравнения при другом выборе этой функции.

В действительности, уравнение (3) может быть решено аналитически лишь для небольшого числа частных типов функции .

Важное значение имеет интерпретация величины в уравнении (2).

Она производится следующим путём: временна́я зависимость функции в уравнении (2) имеет экспоненциальный характер, причём коэффициент при в показателе экспоненты выбран так, что правая часть уравнения (3) содержит просто постоянный множитель .

В левой же части уравнения (3) функция умножаетсяна потенциальную энергию . Следовательно, из соображений размерности вытекает, что величина должна иметь размерность энергии.

Единственной величиной с размерностью энергии, которая постоянна в механике, является полная (сохраняющаяся) энергия системы; таким образом, можно предполагать, что представляет собой полную энергию. Согласно физической интерпретации уравнения Шрёдингера, действительно является полной энергией частицы при движении, описываемом функцией .

  1. 26 Волновая функция и её статические свойства. Суперпозиция состояний
  2. Волнова́я фу́нкция, или пси-функция — комплекснозначная функция, используемая вквантовой механике для описания чистого состояния системы. Является коэффициентом разложения вектора состояния по базису (обычно координатному):
  3. где — координатный базисный вектор, а — волновая функция в координатном представлении.
  4. Для волновых функций справедлив принцип суперпозиции, заключающийся в том, что если система может пребывать в состояниях, описываемых волновыми функциями и , то она может пребывать и в состоянии, описываемом волновой функцией
  5. при любых комплексных и .
  6. Очевидно, что можно говорить и о суперпозиции (сложении) любого числа квантовых состояний, то есть о существовании квантового состояния системы, которое описывается волновой функцией .
  7. В таком состоянии квадрат модуля коэффициента определяет вероятность того, что при измерении система будет обнаружена в состоянии, описываемом волновой функцией .
  8. Поэтому для нормированных волновых функций .
  9. Физический смысл волновой функции заключается в том, что согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени считается равной квадрату абсолютного значенияволновой функции этого состояния в координатном представлении.
  10. Нормированность волновой функции
  11. Волновая функция по своему смыслу должна удовлетворять так называемому условию нормировки, например, в координатном представлении имеющее вид:

Это условие выражает тот факт, что вероятность обнаружить частицу с данной волновой функцией где-либо во всём пространстве равна единице. В общем случае интегрирование должно производиться по всем переменным, от которых зависит волновая функция в данном представлении.



Источник: https://infopedia.su/1x4ef2.html

5.2.1 Планетарная модель атома

  • Видеоурок: Физика атома и атомного ядра
  • Лекция: Планетарная модель атома
  • Строение атома

Наиболее точный способ определения структуры любого вещества — это спектральный анализ. Излучение у каждого атома элемента исключительно индивидуальное. Однако, прежде, чем понять, каким образом происходит спектральный анализ, разберемся, какую структуру имеет атом любого элемента.

Первое предположение о строении атома было представлено Дж. Томсоном. Этот ученый длительное время занимался изучением атомов. Более того, именно ему принадлежит открытие электрона — за что он и получил Нобелевскую премию.

Модель, что предложил Томсон, не имела ничего общего с действительностью, однако послужила достаточно сильным стимулом в изучении строения атома Резерфордом. Модель, предложенная Томсоном, называлась «пудингом с изюмом».

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Томсон считал, что атом является сплошным шаром, имеющим отрицательный электрический заряд. Для его компенсации в шар вкраплены электроны, как изюминки. В сумме заряд электронов совпадает с зарядом всего ядра, что делает атом нейтральным.

ВО время изучения строения атома выяснили, что все атомы в твердых телах совершают колебательные движения. А, как известно, любая двигающаяся частица излучает волны. Именно поэтому каждый атом имеет свой собственный спектр. Однако данные утверждения никак не вкладывались в модель Томсона.

Опыт Резерфорда

Чтобы подтвердить или опровергнуть модель Томсона, Резерфордом был предложен опыт, в результате которого происходила бомбардировка атома некоторого элемента альфа-частицами. В результате данного эксперимента было важно увидеть, как будет вести себя частица.

Альфа частицы были открыты в результате радиоактивного распада радия. Их потоки представляли собой альфа-лучи, каждая частица которых имела положительный заряд.

В результате многочисленных изучений было определено, что альфа-частица походит на атом гелия, в котором отсутствуют электроны.

Используя нынешние знания, мы знаем, что альфа частица — это ядро гелия, в то время Резерфорд считал, что это были ионы гелия.

Каждая альфа-частица имела огромную энергию, в результате чего она могла лететь на рассматриваемые атомы с высокой скоростью. Поэтому основным результатом эксперимента являлось определение  угла отклонения частицы.

Для проведения опыта Резерфорд использовал тонкую фольгу из золота. На нее он направлял высокоскоростные альфа-частицы. Он предполагал, что в результате данного эксперимента все частицы будут пролетать сквозь фольгу, причем с небольшими отклонениями. Однако, чтобы выяснить это наверняка, он поручил своим ученикам проверить, нет ли больших отклонений у данных частиц.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Результат эксперимента удивил абсолютно всех, ведь очень многие частицы не просто отклонились на достаточно большой угол — некоторые углы отклонения достигали более 90 градусов.

Данные результаты удивили абсолютно всех, Резерфорд говорил, что такое чувство, будто на пути снарядов был поставлен листок бумаги, который не дал альфа-частице проникнуть во внутрь, в результате чего, она повернулась обратно.

Если бы атом действительно был сплошным, то он должен был иметь некоторое электрическое поле, которое затормаживало частицу. Однако, сила поля была недостаточной, чтобы остановить её полностью, а уж тем более отбросить обратно. А это значит, что модель Томсона была опровергнута. Поэтому Резерфорд начал работать над новой моделью.

Модель Резерфорда

Чтобы получить такой результат эксперимента, необходимо сосредоточить положительный заряд в меньшем размере, в результате чего получится большее электрическое поле.

По формуле потенциала поля можно определить необходимый размер положительной частицы, которая смогла бы оттолкнуть альфа-частицу в противоположном направлении. Радиус её должен быть порядка максимум 10-15 м.

Именно поэтому Резерфорд предложил планетарную модель атома.

Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов - в помощь студенту

Данная модель названа так неспроста. Дело в том, что внутри атома имеется положительно заряженное ядро, подобное Солнцу в Солнечной системе. Вокруг ядра, как планеты вращаются электроны.

Солнечная система устроена таким образом, что планеты притягиваются к Солнцу с помощью гравитационных сил, однако, они не падают на поверхность Солнца в результате имеющейся скорости, которая держит их на своей орбите.

То же самое происходит и с электронами — кулоновские силы притягивают электроны к ядру, но за счет вращения они не падают на поверхность ядра.

Одно предположение Томсона оказалось абсолютно верно — суммарный заряд электронов соответствует заряду ядра. Однако в результате сильного взаимодействия электроны могут быть выбиты со своей орбиты, в результате чего заряд не компенсируется и атом превращается в положительно заряженный ион.

Очень важной информации относительно строения атома является то, что практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Например, у атома водорода имеется всего один электрон, чья масса более, чем в полторы тысячи раз меньше, чем масса ядра.

Предыдущий урок Следующий урок

Источник: https://cknow.ru/knowbase/336-521-planetarnaya-model-atoma.html

Недостатки планетарной модели атома

Создание Резерфордом планетарной, или
ядерной, модели атома было крупным шагом
вперед в познании строения атома. Но в
некоторых случаях эта теория вступала
в противоречие с твердо установленными
фактами.

Так планетарная модель не могла объяснить
устойчивости атома. Вращаясь вокруг
ядра, электрон должен часть своей энергии
испускать в виде электромагнитных
колебаний, что должно привести к нарушению
равновесия между электростатическим
притяжением электрона к ядру и центробежной
силой, обусловленной вращением электрона
вокруг ядра.

Для восстановления равновесия электрон
должен переместиться ближе к ядру.
Следовательно, непрерывно излучая
электромагнитную энергию, электрон
должен постепенно приближаться к ядру
и в конце концов упасть на него —
существование атома должно прекратиться.
В действительности атом очень устойчив
и может существовать бесконечно долго.

Модель Резерфорда не могла объяснить
также характер атомного спектра.
Известно, что солнечный свет, проходя
через стеклянную призму, образует спектр
— цветную полосу, содержащую все цвета
радуги.

Это явление объясняется тем, что солнечный
свет состоит из электромагнитных волн
различных частот. Волны различных частот
неодинаково преломляются призмой, что
приводит к образованию сплошного
спектра.

Аналогично ведет себя свет, излучаемый
раскаленными жидкостями и твердыми
телами. Спектр раскаленных газов и паров
представляет собой отдельные цветные
линии, разделенные темными промежутками,
— линейчатый спектр. При этом атомы
одного элемента дают вполне определенный
спектр, отличающийся от спектра другого
элемента.

Линейчатый характер спектра водорода
не согласуется с теорией Резерфорда,
так как излучающий энергию электрон
должен приближаться к ядру непрерывно,
и его спектр должен быть непрерывным,
сплошным.

Следовательно, планетарная модель атома
не могла объяснить ни устойчивости
атомов, ни линейчатый характер спектра
газов и паров.

Первый постулат Бора (постулат стационарных
состояний): в атоме существуют
стационарные квантовые состояния, не
изменяющиеся с течением времени без
внешних воздействий. В этих состояниях
атом не излучает электромагнитных волн.
Каждому стационарному состоянию
соответствует определенная энергия
атома Еп.

Стационарным состояниям атома
соответствуют стационарные орбиты, по
которым движутся электроны. При движении
по стационарным орбитам электроны не
излучают электромагнитных волн. Второй
постулат Бора (правило частот): при
переходе атома-из одного стационарного
состояния в другое испускается или
поглощается один фотон.

Атом излучает
(поглощает) один квант электромагнитной
энергии, когда электрон переходит с
орбиты с большим (меньшим) на орбиту с
меньшим (большим) главным квантовым
числом. Из правила частот Бора
следует обращение спектральных линий;
атомы поглощают только те спектральные
линии (частоты), которые они сами могут
испускать.

Правило частот Бора явилось
дальнейшим развитием идеи о квантовом
характере излучения и поглощения света;

  1. Атомное ядро. Строение атомных ядер. Модели ядра. Радиоактивность. α, β, γ – распад. Законы радиоактивного распада.

А́томное
ядро́
— центральная частьатома,
в которой сосредоточена основная егомасса(более 99,9 %). Ядро заряжено положительно,
заряд ядра определяетхимический
элемент, к которому относят атом.
Размеры ядер различных атомов составляют
несколькофемтометров,
что в более чем в 10 тысяч раз меньше
размеров самого атома.

Закон радиоактивного распада
физический закон, описывающий зависимость
интенсивностирадиоактивного
распадаот времени и количества
радиоактивных атомов в образце.

ОткрытФредериком
СоддииЭрнестом
Резерфордом, каждый из которых
впоследствии был награжденНобелевской
премией.

Они обнаружили егоэкспериментальнымпутём и опубликовали в1903
годув работах «Сравнительное изучение
радиоактивности радия и тория»[1]и «Радиоактивное превращение»[2],
сформулировав следующим образом[3]:

  • Во всех случаях, когда отделяли один из
    радиоактивных продуктов и исследовали
    его активность независимо от радиоактивности
    вещества, из которого он образовался,
    было обнаружено, что активность при
    всех исследованиях уменьшается со
    временем по закону геометрической
    прогрессии.
  • из чего с помощью теоремы
    Бернуллиучёныесделали вывод[источник не указан 636 дней]:
  • Скорость превращения всё время
    пропорциональна количеству систем, еще
    не подвергнувшихся превращению.
  • Существует несколько формулировок
    закона, например, в виде дифференциального
    уравнения:

которое означает, что число распадов
dN,
произошедшее за короткий интервал
времениdt,пропорциональночислуатомовNв образце.

Источник: https://studfile.net/preview/2030991/page:7/

Ссылка на основную публикацию