Франк және Герц тәжірибелері. Жұбанов атындағы Ақтөбе өңірлік мемлекеттік университеті

Жұбанов атындағы Ақтөбе өңірлік мемлекеттік университеті

Физика-математика факультеті

Эксперименттік және теориялық физика кафедрасы

Атомдық физика пәні бойынша

5В060400- Физика мамандығына

Глоссарий

Ақтөбе, 2014

1. Резерфорд және Томсонның атомдық моделі

Атом жайындағы -атом заттың бөлінбейтін, өзгермейтін бөлшегі деген пікір ерте кезден пайда болды.

Дж. Дж. Томсон бөлшектің электр және магнит өрісінде жарық әсерінен (фотоэффект) өзгеруін зерттеп, электронды ашты. Электрон массасы атом массынан он мыңдай кіші болып шықты. Томсон атом құрылысының моделін ұсынды, оның болжауынша атом оң зарядпен бірқалыпты зарядталған радиусы 10^-10 м шамасындай сфера болады да, электрондар осы сфераның ішінде орналасқан. Электрондардың тепе-теңдік қалыптан ауытқып гармоникалық тербеліс жасауы, атомдардың монохроматтық толқындарының сәулелену (жұтылу) себебі болып табылады.

Алайда, Ленард тәжірибесіндегі электрондар шашырауының және Резерфордтың жұқа металл пленкаға α-бөлшекпен атқылап, қозғалыс бағыттарының өзгерісін тәжірибеде бақылаған, барлық дерлік бөлшектер шашырамай немесе өте кішкентай бұрышпен 1-3° ауытқып фольгадан өткені көрсетілген. Солардың ішінен бірнешеуі ғана үлкен бұрышқа ауытқыған. α-бөлшек электроннан 7300 есе ауыр, мұндай шашырау электронда болуы мүмкін емес. Резерфорд α-бөлшектер атомның оң зарядтар шоғырланған ядросымен күштірек әсерлеседі деген болжам жасады.

Сондықтан атомда бос кеңістікте, электрондар статистикалық кеңістікте бола алмайды. Олар күн жүйесіндегі планеталар сияқты қозғалыста болады.

Резерфорд өз зерттеулерінің нәтижесінде атомның планетарлық моделінұсынды. Оның айтуынша, теріс зарядты электрон ядроның төңірегінде орбита бойымен қозғалып жүреді. Сонда центрінде орналасқан оң зарядталған ядроның заряды Ze, өлшемі 10^-15-10^-14м, ал массасы шамамен атом массасымен тең. Электрон заряды Z ядродан 10^-10 м шамасындай тұйық орбита бойымен атомның электрондық қабатын құрап айналып жүреді.

Кулондық күш әсерінен ядроны айнала қозғалып жүрген электрон үшін Ньютонның екінші заңы:

мұндағы және – радиусы орбита бойымен қозғалған электронның массасы мен жылдамдығы, - электрлік тұрақты. кезінде электрон жылдамдығы м/с, ал үдеу .

Классикалық электродинамикаға сәйкес, электрондар ядроны айнала үдей қозғалғанда, электромагниттік теория бойынша ол жарық толқындарын шығаруы керек те, оның энергиясы кемуі тиіс. Нәтижесінде электрон мен ядроның арасы жақындай түседі де, электрон ядроның үстіне құлап түседі.

Сонымен қатар, атомның классикалық планетарлық моделі, атомның сызықтық спектрін түсіндіре алмады.

2. Сутегі атомының сызықтық спектрі

Тәжірибелердің нәтижелері атом спектрі сиретілген газ спектрі, дара сызықтардан түзілетін сызықты спектр болатынын көрсетеді. Әрбір элементтің спектрлерінің сериясы болатыны анықталды және олар қарапайым эмпирикалық формуламен жазылады. Сонымен сутегі атомының көрінетін бөлігіндегі спектр Бальмер формуласымен жазылады:

немесе .

Жиілік үшін ν

мұндағы R’=1,1∙10⁷ 1/м, R= R’∙с=3,29∙10¹⁵1/с –Ридберг тұрақтысы.

Кейінірек ультракүлгін бөлігі табылды

Лайман сериясы: ν ,

Инфрақызыл бөлігі үшін

Пашен сериясы: ν ,

Брэкет сериясы: ν ,

Пфунд сериясы: ν ,

Хэмфри сериясы: ν .

Бұл сериялардың барлығы Бальмер формуласымен жазылады:

ν

мұндағы m=1, 2, 3, 4, 5, 6 серияны анықтайды, ал n=m+1, m+2,... осы сериялардың жеке сызықтарын анықтайды. n сызықтары үлкейгенде сериялар бір біріне жақындайды; n=∞ шамасы үлкен жиілік тарапынан тұтас спектр болу шегін анықтайды.

Бор постулаттары

Сызықтық спектрлерінің заңдылықтарын түсіндіру үшін Бор кванттық теориямен Резерфордтың планетарлық моделін біріктірді. Бордың атом үшін теориясы екі постулаттан тұрады:

I. Бордың бірінші постулаты (стационарлық күй постулаты):

Электрон ядроны айнала қозғалғанда ол кез келген орбита бойымен қозғалмай, тек белгілі орбиталардың, яғни стационарлық орбиталардың бойымен ғана қозғала алады. Осындай орбиталардың біреуінің бойымен үдей қозғалған электрон ешқандай жарық шығармайды және стационарлық күйдегә энергиясының дискрет мәндері болады.

Бор орбитасының кванттау ережесі, электрон атомның стационарлық күйінде орбита бойымен қозғалғанда импульс моментінің мәні мына шартты қанағаттандырады:

(n=1, 2, 3,…),

мұндағы электрон массасы, – радиусы n–ші орбита бойымен қозғалған электронның жылдамдығы.

II. Бордың екінші постулаты (жиіліктер ережесі) атом бір стационарлық күйден екінші стационарлық күйіне көшкенде ғана жарық шығарылады немесе жұтылады. Атом жоғары энергетикалық (Е₂) деңгейден төменгі энергетикалық (Е₁) деңгейіне көшкенде бір квант жарық шығарылады, яғни:

hν Е_n– Е_m

Cәулелену (Е_n<Е_m) атом жоғарғы энергетикалық деңгейінен, төменгі энергетикалық деңгейге өткенде болады.

Фотонның жұтылуы (Е_n>Е_m) атом төменгі энергетикалық деңгейінен, энергетикалық жоғарғы деңгейге өткенде болады.

Кванттық өтулер кезіндегі дискретті жиіліктердің формуласы:

атомның сызықтық спектрін анықтайды.

Франк және Герц тәжірибелері

Стационарлық күйде атом болатындығы Франк және Герц тәжірибесінде дәлелденген.

Электрондар, эмитрленген катод К, 1 сымды ток жіберіп қыздырғанда, одан ұшып шыққан электрондар оң зарядталған торға С₁ қарай қозғалады да, ток жүреді, бұл ток φ үдетуші потенциалға тәуелді. 2 аймақта электрондар сынап буынан өтіп А анодқа жетеді. Сынап атомының бірінші қозған күйінің энергиясы 4,86 эВ. Электронға φ үдетуші потенциал бергенде соғылысу серпімсіз болса, онда электрон атомға өзінің кинетикалық энергиясын түгелімен береді, осының салдарынан электронның энергиясы кемиді, атомның энергиясы артады да, сынап атомы қозады. Осы тұрғыдан алғанда электронның энергиясы 4,86 эВ–тан кем болса, оның сынап атомымен соғылысуы серпімді болады да, электронның энергиясы кемімейді, оның қозғалыс бағыты өзгергенмен анодқа жетпейді, ток күші артады. Үдетуші потенциал 9,8 В болғанда, бір электрон сынаптың атомын, 14,7 В болғанда үш атомын қоздыра алады. Осылайша, атом стационарлық күйде болады (Бордың бірінші постулаты). Сынап атомы қозып негізгі күйге өткен кезде жарық кванттары толқын ұзындықпен сәулеленеді (Бордың екінші постулаты).