Будова атома постулати бора…
1. Явища, що підтверджують складність будови атома. До 70 років XIX ст. під атомами розуміли неподільні частинки речовини. Проте під кінець XIX ст. стали відомі факти, які свідчили, що атом — складна електрична система. Електризація тіл тертям, проходження струму через рідини i гази показали, що до складу атомів входять заряджені частинки. Досліджуючи катодне проміння, Дж..Дж. Томсон (1856—1940) у 1897 р. відкрив електрон i виміряв його питомий заряд. Дослідження відкритого в 1896 р. А. Беккерелем (1852 — 1908) радіоактивного випромінювання свідчило, що з атомів радіоактивних речовин вилітають позитивно заряджені -частинки, негативно заряджені — частинки i Проміння.
Перша модель атома. У 1902 р. У. Кельвін (У. Томсон) (1824—1907) запропонував модель атома: позитивно заряджена куля, в середині якої знаходяться нерухомі електрони. Позитивний і негативний заряди атома однакові. Проте така система не стійка. Тому Дж..Дж. Томсон вважав, що електрони коливаються i при цьому випромінюють св1тло. За допомогою цієї моделі неможливо було пояснити спектральні закономірності випромінювання атомів.
Досліди Е. Резерфорда. Вирішальне значення для теорії будови атома мали досліди англійського фізика Е. Резерфорда (1871 —1937), який вивчав розсіяння пучка — частинок під час проходження їх через тонку металеву фольгу (1913 р.).
Результати досліду: 1) більшість — частинок проходить через фольгу і майже не зазнає розсіювання; 2) окремі частинки зазнають розсіювання на кут до 180°.
Висновки: 1) електрони не викликають розсіювання — частинок, бо маса електрона в 8000 раз менша за масу — частинки; 2) в атомі повинно існувати ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома i розміри якого дуже малі ( м); 3) заряд ядра позитивний і дорівнює , де Z — порядковий номер елемента, що дорівнює кількості електронів у атомі, е — елементарний заряд. На основі цих висновків було запропоновано ядерну модель атома: в центрі атома позитивно заряджене ядро, розмір якого становить м, а навколо нього в сфері діаметром м по замкнених орбітах рухаються електрони (їхня кількість Z). Модель атома подібна до сонячної системи, тому її часто називають планетарною.
За законами класичної електродинаміки, електрони рухаються по замкнених орбітах, тобто мають доцентрове прискорення і випромінюють електромагнітні хвил1. Енергія електрона при цьому зменшується і врешті він має впасти на ядро. Однак атоми стійкі і випромінюють не суцільний спектр, а лінійчастий..
2. Постулати Н. Бора (1885—1962). Класична електродинаміка в застосуванні до ядерної моделі атома не пояснила природи лінійчатих спектрів. H. Бор створив іншу ядерну модель атома, скориставшись ідеями Планка і Ейнштейна про те, що світло випромінюється квантами, і сформулював такі постулати.
1. Постулат стаціонарних станів: атомна система може довгий час, без зовнішньої дії, перебувати тільки в стаціонарних станах, не випромінюючи при цьому електромагнітні хвилі (не випромінюють енергію).
Не зважаючи на те, що електрони в атомі рухаються з прискоренням, електромагнітних хвиль атом не випромінює. Кожному стаціонарному стану відповідає тілыки певна енергія й певні орбіти, по яких рухаються електрони.
2. Правило квантування орбіти: в стаціонарному стані атома електрони, рухаючись по колових орбітах, повинні мати дискретні, квантові значення моменту імпульсу, що відповідає умові:
Де — маса електрона, І — швидкість електрона на -й орбіті та її радіус; — стала Планка.
3. Правило частот: атом може переходити з одного стаціонарного стану в інший. При переході атома із стаціонарного стану з більшою енергією в стан з меншою енергією випромінюється один фотон. Для переходу електрона із стаціонарного стану з меншою енергією в стан з більшою енергією атом має поглинути квант енергії. Енергію поглинутого кванта й енергію фотона, що випромінюється, можна знайти з формули:
Де і — енергія атома під час руху електронів на -й і -й орбітах; — енергія кванта, — частота випромінюваної електромагнітної хвилі.
Модель атома водню за Бором. Це ядерна модель, у якій електрони перебувають тільки на певних орбітах, що відповідають стаціонарному стану атома. Для енергії електрона на n-й орбіті в атомі водню матимемо формулу:
Швидкість електрона на -й орбіті і її радіус знаходимо за правилом квантування орбіт (1) і за умови, що кулонівська сила надає електрону доцентрового прискорення:
З рівнянь( 2 ) і ( 3 ) дістанемо ; , тоді повна енергія , а частота випромінювання
Де = 1,1 М-1 – стала Рідберга, С – швидкість світла у вакуумі.
Для воднеподібних атомів – одно іонізованого атома гелію , двоіонізованого атома літію — і т. д. – частота випромінювання визначається за формулою: .
Серія Лаймана (Ультрафіолетові хвилі)
Серія Бальмера (Видимо світло)
Серія Пашена (Інфрачервоні хвилі)
Пояснення спектральних закономірностей Випромінювання атома водню.
Спектр енергії атома водню зображено на рисунку. При =1 енергія атома Е1 = -13,6 еВ; при =2 Е2 ==- 3,4 еВ; при =∞, Еn=0. Коли електрони переходять з нижчих рівнів на вищі, атом поглинає енергію, а коли з вищих енергетичних рівнів на нижчі – випромінює. При цьому можуть випромінюватися такі серії ліній:
А) = 1, =2,3, 4 . . . – ультрафіолетові лінії серії Лаймана;
Б) = 2, =3, 4 , 5. . . – видимі лінії серії Бальмера;
В) = 3, =2,3,4 . . . – інфрачервоні лінії серії Пашена;
Г) = 4, =5, 6, 7 . . . інфрачервоні лінії серії Бреккета.
Труднощі тeopії Бора. Теорія Бора пояснила природу спектральних серій атома водню, дала змогу обчислити енергетичні рiвні електрона в атомі водню. Удосконалив цю теорію німецький фізик А. Зоммерфельд (1868— 1951), врахувавши еліптичність op6іт електронів.
Однак теорія Бора—Зоммерфельда не змогла пояснити інтенсивність ліній спектра, а також явище поляризації, дисперсії і поглинання світла. Ця тeopiя була штучним поєднанням класичних законів фізики i квантових уявлень.
Квантові генератори. Оптичні квантові генератори дають змогу діставати вузький інтенсивний пучок світла у видимій або інфрачервоній частині спектра. Робота квантового генератора (лазера) основана на квантових процесах — інверсії заселеності і оптичній накачці.
У результаті оптичного накачування (наприклад, при яскравому спалаху світла) більшість атомів тіла лазера переходить спочатку в збуджений стан (електрони з основних, найнижчих енергетичних рівнів переходять на вищі) і майже відразу (протягом С) в метастабільний (нестійкий). Цей процес називають інверсією заселеності. У метастабільному стані атоми знаходяться від кількох мілісекунд до секунди. Під час опромінювання світлом, частота якого дорівнює частоті переходу з метастабільного стану в основний, атоми вмить переходять в основний стан, випромінюючи монохроматичне світло і звільнюючи при цьому нагромаджену раніше величезну енергію.
Квантовий генератор складається з робочого тіла і джерела живлення з імпульсною лампою (рис.) Джерелом живлення звичайно е батарея конденсаторів 3, які заряджаються до 3,5—10 кВ через випрямляч від мережі. Для підкачування часто використовують імпульсну ксенонову лампу 1. Як робоче тіло в
Лазерах використовують рубінові стержні 2 (рубін – кристал оксиду Al з добавкою 0,05% Cr або стержні з інших кристалів, наприклад сапфіру). Стержні, які мають прямокутний або круглий переріз, дуже старанно перевіряють на: паралельність сторін і чистоту торцевих поверхонь, розташування оптичної осі відносно осі стержня. За допомогою спеціальних оптичних систем можна дістати пучок світла в лазері діаметром не більше як 0,1 мм. Зараз виготовляють лазери: а) газові (можуть генерувати в безперервному режимі з потужністю до 10 кВт і в імпульсному — з потужністю од 10 кВт і до 10 ГВт); б) напівпровідникові