Модели атома Томсона и Резерфорда

Изучение спектров изолированных атомов показало, что атомы имеют внутреннее строение. К тому времени были уже известны отрицательно заряженные частицы ‑ электроны и положительно заряженные частицы ‑ протоны. Причем масса протона во много раз больше массы электрона, а заряд равен заряду электрона.

Исходя из этого, Дж.Томсон в 1903 году предложил модель строения атома, согласно которой атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиусом порядка , внутри которого колеблются около своих положений равновесия электроны. Заряд положительной сферы равен суммарному заряду электронов, поэтому атом в целом нейтрален.

Для подтверждения или опровержения данной гипотезы необходимо было поставить эксперименты по прямому зондированию атомов. Такие опыты были поставлены Резерфордом. В его распоряжении были естественные радиоактивные вещества, которые излучали частицы высоких энергий, в частности - частицы.

- частицы ‑ это двукратно ионизированный атом гелия, т.е. атом гелия, у которого выбито два электрона. Соответственно, -частица имеет заряд, равный двум положительным зарядам электрона.

Резерфорд исследовал прохождение - частиц через золотую фольгу (см. рис. 13). Вокруг фольги располагался экран из сернистого цинка. При попадании -частицы на этот экран она давала вспышку света – сцинциляцию (поэтому такие экраны называются сцинциляционными экранами), которая регистрировалась с помощью зрительной трубы .

Положение экрана и зрительной трубы могло быть установлено под любым углом к направлению распространения пучка - частиц. Тем самым можно было подсчитать число -частиц, распространяющихся под разными углами ( ). Скорость - частиц имеет величину порядка .

Эксперименты дали совершенно неожиданные результаты. Оказалось, что некоторое количество -частиц рассеивается на очень большие углы ( ). Столь сильное отклонение - частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, которое создаётся зарядом, связанным с большой массой и сконцентрированном в малом объёме.

Основываясь на этих результатах, английский физик Э.Резерфорд предложил в 1911 году ядерную (планетарную) модель атома.

Согласно предположению Резерфорда атом представляет собой систему, подобную солнечной системе. В центре находится положительно заряженное ядро, заряд которого равен , а вокруг него вращаются электронов по орбитам. При этом вся масса атома практически сосредоточена в его ядре.

Электрон должен вращаться вокруг ядра, чтобы система была устойчивой. Ядро имеет размеры, не превосходящие , а размеры атома .

Отклонения -частиц обусловлены воздействием на них ядер. Заметного отклонения из-за взаимодействия с электронами не может быть, поскольку масса электрона на четыре порядка меньше массы -частицы.

Расстояние от ядра до первоначального направления полёта называется прицельным параметром. Чем ближе частица пролетает от ядра, тем сильнее отклоняется.

Казалось бы, результаты опыта подтверждают планетарное строение атома, но здесь возникает другое «но».

Электрон, вращаясь вокруг ядра по круговой орбите, обладает центростремительным ускорением. А если он обладает ускорением, то согласно законам классической электродинамики он должен излучать электромагнитные волны, т.е. терять энергию. А если он будет терять энергию, радиус его орбиты будет уменьшаться и он, в конце концов, упадет на ядро. В действительности же атом, как известно, представляет собой чрезвычайно устойчивую систему.

Постулаты Бора

Итак, модель атома Резерфорда не объясняет устойчивость атома и не объясняет спектр атомов.

Выход из создавшегося тупика был предложен датским физиком Нильсом Бором в 1913 году. Свои предложения Нильс Бор сформулировал в виде двух постулатов.

1). В атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает электромагнитную энергию, хотя при этом электроны движутся ускоренно

2). При переходе атома из стационарного состояния с энергией в состояние с энергией излучается или поглощается энергия светового кванта, равная разности энергий этих стационарных состояний:

, (18)

где - постоянная Планка, - частота.

При происходит излучение фотона, при - его поглощение.

Соответственно частота излучения будет равна:

.

Набор возможных дискретных частот квантовых переходов определяет линейчатый спектр.

Если принять, что энергия электрона, удаленного на бесконечно большое расстояние от ядра равна нулю, тогда энергия электрона в атоме будет отрицательна (при удалении электрона необходимо совершать положительную работу, сообщая тем самым электрону положительную энергию). Следовательно, выражение для частоты можно переписать как:

Эта формула согласуется со спектроскопическими данными, рассмотренными выше (см.формулу (17)), согласно которым частота линии равна разности термов: