Спектральные закономерности.

Изучение спектров излучения сыграло большую роль в познании строения атомов. В первую очередь это касается спектров, обусловленных излучением невзаимодействующих друг с другом атомов. Эти спектры состоят из отдельных узких спектральных линий, и их называют линейчатыми.

Наличие многих спектральных линий указывает на сложность внутреннего строения атома. Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию внутренней структуры атомов. Прежде всего, было замечено, что спектральные линии расположены не беспорядочно, а образуют серии линий. Изучая линейчатый спектр атомарного водорода, Бальмер (1885 г.) установил некоторую закономерность. Для части линий соответствующие им частоты можно в современных обозначениях представить так:

(2.1)

где w — циклическая частота, соответствующая каждой спектральной линии (w = 2πc/l), R — постоянная, называемая постоянной Ридберга:

R=2,07×10¹⁶ c^-1. (2.2)

Формулу (2.1) называют формулой Бальмера, а соответству- Рис.2.1 ющую серию спектральных линий — серией Бальмера (рис.2.1). Основные линии этой серии находятся в видимой части спектра.

Дальнейшие исследования спектра атомарного водорода показали, что имеется еще несколько серий.

В ультрафиолетовой части спектра — серия Лаймана:

(2.3)

а в инфракрасной части спектра – серия Пашена:

(2.4)

и так далее.

Все эти серии можно представить в виде обобщенной формулы Бальмера:

(2.5)

где - постоянное для каждой серии число: . Для серии Лаймана, n₀ = 1, для серии Бальмера и т. д. При заданном n₀ число n принимает все целочисленные значения, начиная с n₀ + 1.

Максимальной длине волны серии Лаймана (3.12.3) отвечает n = 2, это l_макс = 2πс/w_мин = 8 с/3R = 121,6 нм. Соответствующую спектральную линию называют резонансной линией водорода.

С ростом n частота линий в каждой серии стремится к предельному значению , которое называют границей серии (рис.2.1). За границей серии спектр не обрывается, а становится сплошным. Это присуще не только всем сериям водорода, но и атомам других элементов.

Таким образом, интересующая нас серия Бальмера заключена в спектральном интервале от 365 нм до 656 нм, т. е. действительно, все основные линии ее расположены в видимой области спектра.

Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома.

Излучение электромагнитных волн возможно при ускоренном движении зарядов. Атом в целом электрически нейтрален. С другой стороны известно, что в состав атома входят отрицательно заряженные электроны. Следовательно, в его состав должны входить также положительно заряженные частицы.

Принятую в настоящее время модель атома предложил Резерфорд, базируясь на результатах своих опытов по рассеянию −частиц.

В этих опытах очень тонкая золотая фольга облучалась пучком −частиц с довольно большой энергией. –частицами называют один из видов частиц, испускаемых некоторыми веществами при радиоактивном распаде. В то время уже были известны масса –частицы ( ) и ее положительный заряд, равный удвоенному элементарному заряду (модулю заряда электрона). Проходя сквозь фольгу, –частицы рассеивались атомами вещества, т.е. отклонялись на некоторый угол от первоначального направления. Регистрация рассеянных частиц осуществлялась по вспышкам света, возникающим при их ударе об экран, покрытый сернистым цинком.

В результате опытов оказалось, что почти все - частицы проходили сквозь фольгу, отклоняясь на очень небольшие углы. Однако было небольшое количество –частиц, которые отклонялись на очень большие углы (почти до 180 ). Проанализировав результаты опытов, Резерфорд пришел к выводу, что столь сильное отклонение −частиц возможно при их взаимодействии с положительно заряженной частью атома, в которой сосредоточена его основная масса.

Размеры этой части можно оценить, если предположить, что −частица, отбрасывается в обратном направлении после «упругого лобового столкновения» с положительно заряженной частью атома. Для этого нужно приравнять кинетическую энергию −частицы к потенциальной энергии ее взаимодействия с этой частью атома в момент остановки −частицы:

, (2.6)

где V - скорость −частицы, 2е – ее заряд, Zе – заряд положительной части атома, - минимальное расстояние, на которое −частица сможет приблизиться к положительной части атома (в атомной физике принято использовать Гауссову систему единиц). Положив в этом равенстве Z = 79 (золото), V=10 , =4·1,66·10 г = 6,6·10 г, получим

≈ 10 см.

Напомним, что, изучая свойства газов с помощью методов кинетической теории, можно определить размеры атомов. Найденные таким способом размеры для всех атомов имеют порядок 10 см. Таким образом, размер положительной части атома оказался на несколько порядков меньше размера атома.

На основании этих оценок Резерфорд предложил ядерную (или планетарную) модель атома. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре, размер которого ≈ 10 см, пренебрежимо мал по сравнению с размером атома. Вокруг ядра движутся электроны, занимая огромную по сравнению с ядром область с линейным размером порядка 10 см.

Однако, если принять эту модель, то становится непонятно, почему электроны не падают на ядро. Между электроном и ядром существует только кулоновская сила притяжения. Поэтому электрон не может покоиться. Он должен двигаться вокруг ядра. Но в этом случае, согласно законам классической физики, он должен излучать, причем на всех частотах, что противоречит опыту. Теряя энергию, электрон должен упасть на ядро (атом высветится). Оценки показали, что вся его энергия будет излучена за время порядка 10 с. Это и будет «время жизни» атома.

Постулаты Бора.

Абсолютная неустойчивость планетарной модели Резерфорда и вместе с тем удивительная закономерность атомных спектров, и в частности их дискретность, привели датского физика Н.Бора к необходимости сформулировать (1913 г.) два важнейших постулата квантовой физики:

1. Атом может длительное время находиться только в определенных, так называемых стационарных состояниях, которые характеризуются дискретными значениями энергии Е₁, Е₂, Е₃, … В этих состояниях, вопреки классической электродинамике, атом не излучает.

2. При переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е₂ в стационарное состояние с меньшей энергией Е₁ происходит излучение кванта света (фотона) с энергией ћw:

(2.7)

Такое же соотношение выполняется и в случае поглощения, когда падающий фотон переводит атом с низшего энергетического уровня Е₁ на более высокий Е₂, а сам исчезает.

Соотношение (2.7) называют правилом частот Бора. Заметим, что переходы атома на более высокие энергетические уровни могут быть обусловлены и столкновением с другими атомами.

Таким образом, атом переходит из одного стационарного состояния в другое скачками (их называют квантовыми). Что происходит с атомом в процессе перехода этот вопрос в теории Бора остается открытым.

Опыты Франка и Герца.

Эти опыты, проведенные в 1913г. дали прямое доказательство дискретности атомных состояний. Идея опытов заключается в следующем. При неупругих столкновениях электрона с атомом происходит передача энергии от электрона атому. Если внутренняя энергия атома изменяется непрерывно, то атому может быть передана любая порция энергии. Если же состояния атома дискретны, то его внутренняя энергия при столкновении с электроном должна изменяться также

дискретно — на значения, равные разности внутренней Рис.2.2 энергии атома в стационарных состояниях.

Следовательно, при неупругом столкновении электрон может передать атому лишь определенные порции энергии. Измеряя их, можно определить значения внутренних энергий стационарных состояний атома.

Это и предстояло проверить экспериментально с помощью установки, схема которой показана на рис.2.2. В баллоне с парами ртути под давлением порядка 1 мм рт.ст. (»130 Па) имелись три электрода: К — катод, С — сетка и А — анод.

Электроны, испускаемые вследствие термоэлектронной эмиссии горячим катодом, ускорялись разностью потенциалов V между катодом и сеткой. Величину V можно было плавно менять. Между сеткой и анодом создавалось слабое тормозящее поле с разностью потенциалов около 0,5 В.

Таким образом, если какой-то электрон проходит сквозь сетку с энергией, меньшей 0,5 эВ, то он не долетит до анода. Только те электроны, энергия которых при прохождении сетки больше 0,5 эВ, попадут на анод, образуя анодный ток I, доступный измерению. Рис.2.3

В опытах исследовалась зависимость анодного тока I (измеряемого гальванометром G) от ускоряющего напряжения V (измеряемого вольтметром V). Полученные результаты представлены на графике рис.2.3. Максимумы соответствуют значениям энергии

Е₁ = 4,9 эВ, Е₂ = 2 Е₁, Е₃ = 3Е₁ и т. д.

Такой вид кривой объясняется тем, что атомы действительно могут поглощать лишь дискретные порции энергии, равные 4,9 эВ.

При энергии электронов, меньшей 4,9 эВ, их столкновения с атомами ртути могут быть только упругими (без изменения внутренней энергии атомов), и электроны достигают сетки с энергией, достаточной для преодоления тормозящей разности потенциалов между сеткой и анодом. Когда же ускоряющее напряжение V становится равным 4,9 эВ, электроны начинают испытывать вблизи сетки неупругие столкновения, отдавая атомам ртути всю энергию, и уже не смогут преодолеть тормозящую разность потенциалов в пространстве за сеткой. Значит, на анод А могут попасть только те электроны, которые не испытали неупругого столкновения. Поэтому, начиная с ускоряющего напряжения 4,9В анодный ток I будет уменьшаться.

При дальнейшем росте ускоряющего напряжения достаточное число электронов после неупругого столкновения успевает приобрести энергию, необходимую для преодоления тормозящего поля за сеткой. Начинается новое возрастание силы тока I. Когда ускоряющее напряжение увеличится до 9,8В, электроны после одного неупругого столкновения (примерно на середине пути, когда они успевают набрать энергию 4,9эВ) достигают сетки с энергией 4,9эВ, достаточной для второго неупругого столкновения. При втором неупругом столкновении электроны теряют всю свою энергию, и не достигают анода. Поэтому анодный ток I начинает опять уменьшаться (второй максимум на графике). Аналогично объясняются и последующие максимумы.

Из результатов опытов следует, что разница внутренних энергий основного состояния атома ртути и ближайшего возбужденного состояния равна 4,9эВ, что и доказывает дискретность внутренней энергии атома.

Аналогичные опыты были проведены в дальнейшем с атомами других газов. И для них были получены характерные разности потенциалов, их называют резонансными потенциалами или первыми потенциалами возбуждения. Резонансный потенциал соответствует переходу атома из основного состояния (с минимальной энергией) в ближайшее возбужденное. Для обнаружения более высоких возбужденных состояний была использована более совершенная методика, однако принцип исследования оставался тем же.

Итак, все опыты такого рода приводят к заключению, что состояния атомов изменяются лишь дискретно. Опыты Франка и Герца подтверждают также и второй постулат Бора — правило частот. Оказывается, что при достижении ускоряющего напряжения 4,9В пары ртути начинают испускать ультрафиолетовое излучение с длиной волны 253,7нм. Это излучение связано с переходом атомов ртути из первого возбужденного состояния в основное. Действительно, из условия (2.7) следует, что

Этот результат хорошо согласуется с предыдущими измерениями.