Строение атома. Опыт Резерфорда.
В 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл электрон. Существование в веществе электронов наводило на мысль, что эти отрицательно сраженные частицы входят в состав нейтральных атомов. Но отсюда следовало, что в атоме должны находиться и положительно заряженные частицы. Как расположены заряженные частицы внутри атома?
В 1903 г. Дж. Томсон предложил модель строения атома, согласно которой положительно заряженная часть атома является равномерно заряженным шаром. В этот шар «вкраплены» электроны в таком количестве, чтобы атом в целом был нейтральным (рис. 8.1). (рис. 8.1).
Эта модель получила шутливое название «пудинг-модель», поскольку электроны в ней были уподоблены изюминкам в пудинге. Для подтверждения правильности этой модели необходимо было провести опытное исследование распределения заряда внутри атома.
Такое исследование в 1911 г. было осуществлено Э. Резерфордом и его сотрудниками с помощью б-частиц. Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные частицы с зарядом +2е и массой, приблизительно в 4 разя большей, чем масса атома водорода. Скорость б-частиц достигает порядка 10 м/с. С помощью таких частиц, обладающих достаточно большими энергиями, «простреливали» металлическую фольгу и изучали рассеяние а-частиц, т. е. их отклонение от первоначального направления движения.
Альфа-частицы испускались источником 1, помещенным внутри полости с каналом 2, сделанным в куске свинца (рис. 8.2). Все частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пучок а-частиц попадал на металлическую фольгу 3 перпендикулярно ее поверхности. Прошедшие сквозь фольгу, а-частицы, при столкновении с полупрозрачным экраном 4 вызывали вспышки света, которые наблюдались в микроскоп 5.
Условия эксперимента обеспечивали достаточный вакуум в пространстве между фольгой и экраном, чтобы не происходило дополнительного рассеяния а-частиц в воздухе.
Было обнаружено, что почти все а-частицы, прошедшие сквозь фольгу, сохраняли прежнее направление своего движения или отклонялись на малые углы. Однако некоторые а-частицы отклонялись на большие углы (почти до 180°). Э. Резерфорд по этому поводу говорил, что это было «невероятно так же, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и попал в вас».
Этому неожиданному факту надо было дать объяснение. Резерфорд предположил, что это возможно, если весь положительный заряд внутри атома сосредоточен в его ядре — области, занимающей весьма малый объем по сравнению со всем объемом
атома. Электроны движутся вокруг ядра, иначе они упали бы на ядро. Полный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра (рис. 8.3) .
Эта модель атома Резерфорда напоминает Солнечную систему: в центре находится «солнце» — ядро, а вокруг него по орбитам движутся «планеты»— электроны. Поэтому модель получила название - планетарной. Согласно этой модели ядро имеет линейные размеры порядка 10--15—10 -14 м, вокруг ядра в области размером
10 -10 м по орбитам движутся электроны. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. С помощью планетарной модели атома были объяснены результаты опыта по рассеянию а-частиц. Почти все а-частицы проходят сквозь вещество практически не отклоняясь, так как большая часть пространства атома пуста
(рис. 8.4). Альфа-частицы, которые встречаются с электронами на своем пути в фольге, также практически не рассеиваются, и только немногие а-частицы — те, которые проходят вблизи от ядра, испытывают значительные отклонения под действием электрического поля ядра.
Таким образом, на основе планетарной модели можно было объяснить результаты опытов по рассеянию а-частиц. Однако объяснить стабильность атомов не удавалось. Рассмотрим простейший атом — атом водорода, состоящий из ядра — протона и одного электрона (рис. 8.5).
Движение электрона в атоме по замкнутой орбите происходит с ускорением. В соответствии с классической электродинамикой это движение электрона должно было сопровождаться излучением электромагнитных волн, в результате чего энергия электрона в атоме непрерывно уменьшалась бы. Электрон стал бы приближаться к ядру по спирали и должен бы упасть на него, причем это должно произойти за 10 -8 с. Однако атом стабилен. Следовательно, планетарная модель атома противоречила законам классической физики.
Выполнить задания по тексту:
1.Согласно планетарной модели атома заряд и почти вся масса атома сосредоточены , а электроны _________________________.
2.Заполни таблицы:
Характеристика | атом | ядро атома | электроны |
Размеры (м) | |||
Масса (по сравнению с массой атома) | |||
Заряд |
Опыт по рассеянию а-частиц:
Экспериментальные данные | Объяснение |
Почти все а-частицы сохраняют направление движения | |
Небольшое число б-частиц отклоняется на угол, равный = 180° |
Следствие из планетарной модели атома | Факты |
Электрон непрерывно теряет энергию | |
Атом неустойчив | |
Спектр атома непрерывный |
3.Ответить на вопросы:
Квантовые постулаты Бора.
Важным этапом в развитии современной физики стала модель построения
неклассической теории атома, предложенная Н. Бором в 1913 г.
В основе боровской теории строения атома лежала идея объединить планетарную модель атома Резерфорда и квантовую теорию излучения и поглощения электромагнитных волн.
Для осуществления этой идеи Н. Бор не отказался от применения законов классической физики к описанию поведения электронов в атоме, но дополнил его некоторыми ограничениями, которые накладывались на возможные состояния электронов в атоме. Эти ограничения были сформулированы в виде постулатов, которые называют постулатами Бора.
Первый постулат Бора (постулат стационарных состоянии) заключается в следующем:
Существуют стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает электромагнитных волн.
Стационарным состояниям атома соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты, по которым движутся электроны. При этом, несмотря на то что электроны движутся по своим орбитам с ускорением, они не излучают электромагнитных волн. Таким образом, в первом постулате Бора содержится отказ от вывода электродинамики о том, что ускоренно движущийся электрический заряд всегда излучает электромагнитные волны.
Второй постулат Бора (правило частот) устанавливает следующее:
При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон, энергия которого равна разности энергий атома в двух его стационарных состояниях:
ДЕ = Еm −En = hv, (8.1)
где Еm и Еп — энергии атома, находящегося в состояниях тип соответственно.
Излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, например при переходе электрона с
орбиты, более удаленной от ядра, на ближнюю к ядру орбиту (рис. 8.6, а).
Поглощение фотона сопровождается переходом атома в состояние с большей
энергией (рис. 8.6, б).
Для наглядного представления возможных энергетических состояний атомов используются диаграммы, на которых каждое стационарное состояние атома,
характеризуемое определенной энергией, отмечается горизонтальной линией.
Энергетический уровень, соответствующий состоянию атома с минимальной энергией Е1 называется основным и располагается ниже всех остальных на диаграмме. Над ним расположены энергетические уровни других стационарных состояний, называемых возбужденными.
Переходу электрона со стационарной орбиты под номером т на стационарную орбиту под номером п (рис. 8.7, а) соответствует переход атома из состояния с энергией Еm
в состояние с энергией Еп. Этот переход на энергетической диаграмме обозначается вертикальной стрелкой от уровня, соответствующего энергии Еm, к уровню, соот-
ветствующему энергии Еn (рис. 8.7, б).
Выразим из формулы 8.1 частоту света, излучаемого при переходе из состояния m в состояние n:
Из второго постулата Бора следует, что атомы поглощают излучение той же самой частоты, которую они сами испускают.
Постулат Бора о существовании стационарных состояний атомов и правило частот Бора в дальнейшем экспериментально подтвердились в опытах Франка
и Герца.
Теория Бора сыграла огромную роль в создании атомной физики, однако в ней с самого начала обнаружились существенные недостатки. Главным из них была внутренняя противоречивость теории. Наиболее серьезной неудачей в теории Бора явилась невозможность создать с ее помощью теорию атома гелия, содержащего помимо ядра два электрона.
Выполнить задания по тексту:
1.Заполни таблицу:
Схема модели атома | ||
Томсона | Резерфорда | Бора |
2. Постулаты Бора (дописать предложения)
1. Существуют_________________________________состояния атома, находясь
в которых он ___________________________________________________________ .
2.При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается , энергия которого равна _____________ .
3. Составить энергетическую диаграмму излучения и поглощения света атома водорода.
Заполни таблицу:
Частота | |
излучения | поглощения |
Самостоятельная работа на тему: «Строение атома. Опыт Резерфорда».
Вариант1
1.Согласно планетарной модели атома заряд и почти вся масса атома сосредоточены _______________, а электроны _________________________.
2.Заполни таблицу:
Следствие из планетарной модели атома | Факты |
Электрон непрерывно теряет энергию | |
Атом неустойчив | |
Спектр атома непрерывный |
Ответить на вопрос: Под действием каких сил б-частицы отклонялись от прямолинейных траекторий в опыте Резерфорда?
Ответ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Самостоятельная работа на тему: «Строение атома. Опыт Резерфорда».
Вариант2
Строение атома (ядро + электроны) напоминает строение Солнечной системы (Солнце + планеты). В чем различие между ними?Ответ_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.Заполни таблицу:
Характеристика | атом | ядро атома | электроны |
Размеры (м) | |||
Масса (по сравнению с массой атома) | |||
Заряд |
Альфа-частицы представляют собой_____________________
_____________________________________ с зарядом +2е и массой, приблизительно в__________________________, чем масса атома _____________________________ .
4. Постулаты Бора (дописать предложения)
1. Существуют_______________________состояния атома, находясь в которых он __________________________.
2.При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается________________________ ______________________энергия которого равна _____________ .
5. Составить энергетическую диаграмму излучения и поглощения света атома водорода.
Частота | |
излучения | поглощения |
Студент___________________________ группы__________
Дата________________________ Оценка________________
4. Постулаты Бора (дописать предложения)
1. Существуют_______________________состояния атома, находясь в которых он __________________________.
2.При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается________________________ ______________________энергия которого равна _____________ .
5. Заполни таблицу:
Студент___________________________ группы__________
Дата________________________ Оценка________________
Самостоятельная работа на тему: «Строение атома. Опыт Резерфорда».
Вариант3
В чем недостатки планетарной модели атома?Ответ:__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ .
Заполни таблицу: Опыт по рассеянию а-частиц:Экспериментальные данные | Объяснение |
Почти все б-частицы сохраняют направление движения | |
Небольшое число б-частиц отклоняется на угол, равный = 180° |
4. Постулаты Бора (дописать предложения)
1. Существуют_______________________состояния атома, находясь в которых он __________________________.
2.При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается________________________ ______________________энергия которого равна _____________
_____________________________________________________ .
Схема модели атома | ||
Томсона | Резерфорда | Бора |
5. Заполни таблицу:
Студент___________________________ группы__________
Дата________________________ Оценка________________
