| Всі додатки, графічні матеріали, формули, таблиці та малюнки роботи на тему: Квантова теорія атома (предмет Фізика та енергетика) знаходяться в архіві, який можна завантажити з нашого сайту. Приступаючи до прочитання цього твору (переміщаючи смугу прокручування браузера вниз), Ви погоджуєтесь з умовами відкритої ліцензії Creative Commons Attribution (Атрибуція) 4.0 Всесвітня (CC BY 4.0) .
Квантова теорія атома
Історично перша (класична) модель будови атома було запропоновано 1903 р. Томсоном. Згідно з моделлю Томсона атом являє собою кулю, заряджену позитивним електричним зарядом безперервно і рівномірно, усередині якого біля своїх положень рівноваги здійснюють коливання електрони. Сумарний негативний заряд всіх електронів дорівнює позитивному заряду кулі, і загалом атом електронейтральний. Приблизні розміри такої позитивно зарядженої кулі, визначені класичною електростатикою, узгоджувалися з реальними розмірами атомів (R ? 10 -8 cм).
Справді, якщо напруженість електричного поля всередині кулі , де е - позитивний заряд кулі, то "квазіпружна" сила, що діє на електрон. Тоді електрон буде робити коливання з частотою, і радіус позитивно зарядженої кулі можна оцінити як. Для частот частот спектру випромінювання атомів (л ? 0,6 мкм і щ ? 3 · 10 15 рад/с) отримуємо величину R ? 3·10 -8 див.
При цьому ця модель була спростована експериментами Е. Резерфорда (1911 р.) з розсіяння б - частинок при проходженні їх через тонкі металеві фольги (б-частки - це позитивно заряджені (qб = +2qe) частинки з масою mб ? 4mH, що утворюються, зокрема,при радіоактивному розпаді важких елементів. Досліди показали, що поряд з більшістю б - частинок, що відхиляються незначно від свого первісного напрямку, спостерігалося деяке число б - частинок, які при проходженні через тонку фольгу різко відхилялися на великі (ц? 135 - 150 О) кути.
Це відповідало пружному відображенню б - частинок від позитивно зарядженого та масивного твердого тіла, розташованого на шляху прямування частинок. Помітного відхилення через взаємодії б - частинок з електронами було, оскільки маса б - частинок значно (чотири порядку величини) більше маси електронів. Отже, відхилення б - частинок обумовлено впливом них атомних ядер. Е. Резерфорд теоретично розглянув завдання про розсіювання б - частинок у кулонівському полі, створюваному позитивним зарядом, зосередженим у ядрі атома. Потенційна енергія взаємодії б – частинок з таким ядром, де – число позитивних зарядів ядра. Число частинок, розсіяних в одиницю часу в одиничний тілесний кут dЩ (dЩ = sinДІ dц) визначалося за формулою: ,
де n – щільність потоку б – частинок (кількість частинок в одиницю часу на одиницю площі); ц – кут розсіювання б-часток, – їх енергія. З формули випливало, що для даного матеріалу фольги, щільності потоку та певної енергії б-частинок величина , що підтвердилося проведеними дослідами.
Крім того, формула Резерфорда дозволила визначити число позитивних зарядів в ядрі атомів матеріалу фольги, що розсіює: виявилося, що дорівнює Z - порядковому номеру елемента в періодичній таблиці Менделєєва. При цьому з нейтральності атома безпосередньо випливало, що число електронів в атомі дорівнює Z .
На підставі результатів експериментів з розсіювання б-часток тонкимиметалевими фольгами Резерфорд запропонував ядерну (або планетарну) модель атома: у ядрі атома розміром
10-14 год10 -15 м, тобто. в області розміром набагато менше розміру атома (
10 -10 м), зосереджено весь позитивний заряд Zqe і практично вся маса атома. Навколо ядра в області
10 -10 м замкнутими орбітами обертаються Z електронів. Сумарний позитивний заряд, таким чином, дорівнює сумарному негативному заряду і в цілому атом електронейтральний. Ядерна модель Резерфорда за своєю структурою нагадує Сонячну систему: у центрі системи масивне ядро – «сонце», навколо нього орбітами обертаються планети – електрони. Звідси і друга назва цієї моделі – «планетарна».
Резерфорд прийшов до моделі з електронами, що обертаються навколо ядра, внаслідок того, що статична модель атома не може існувати. Згідно з теоремою Ірншоу класичної електростатики, система нерухомих електричних зарядів, розташованих на кінцевій відстані один від одного не можуть перебувати в стані стійкої рівноваги тільки під дією кулонівських сил. При цьому модель з електронами, що обертаються навколо ядра, призводить до необхідності постійного випромінювання електронами атома електромагнітних хвиль. Розглянемо, наприклад, рух електрона довкола протона. За другим законом Ньютона, і оскільки рух електрона - рівноприскорений, відбувається випромінювання та постійна втрата енергії. Отже, електрон неспроможна втриматися кругової орбіті і з спіралі наближається до ядру. При цьому енергія зменшується поступово, частота випромінювання змінюється за безперервним законом і електромагнітне випромінювання атомів повинно мати суцільний спектр. Насправді ж випромінювання атомів є набір окремих ліній, тобто. спектр випромінювання атомів -лінійний.
Таким чином, можна сформулювати наступні протиріччя між класичною моделлю будови атома Резерфорда і явищами, що реально спостерігаються:
Відповідно до моделі Резерфорда:
1. Система «ядро – електрон» – нестійка.
Атоми - стійкі утворення
2. Електрони атомів випромінюють постійно.
Атоми випромінюють лише за певних умов.
3. Спектр випромінювання атомів – суцільний.
Випромінювання атомів завжди має лінійний спектр, що залежить від будови та властивостей атомів різних речовин.
Отже, модель Резерфорда не могла пояснити численні експериментальні результати з вивчення спектрів випромінювання газів. Було відомо, що спектри випромінювання газів являють собою окремі лінії або групи (серії) близьких ліній, причому кожному газу відповідає свій лінійний спектр. І.Бальмер (1885 р.) дослідив спектр випромінювання водню та встановив, що спектр може бути описаний наступною формулою (надалі званою формулою Бальмера):
де R = · c = 3,29 · 10 15 c -1 - Постійна Рідберга; m, n – цілі числа.
У цьому n = m+1, m+2, m +3 …, число m визначає серію, а n - окремі лінії у спектрі.
p align="justify"> При дослідженні спектрів випромінювання різних газів були отримані наступні емпіричні формули, що підтверджували з високим ступенем точності експериментальні дані, але не мали теоретичного обґрунтування: