Теория атома Бора

Краткая предыстория современного атомизма

Основные идеи атомного строения материи (атомизма) зародились в глубокой древности. Их прародителями считаются греческие мыслители Левкипп, Демокрит, Эпикур (конец IV— начало III в. дон.э.). Последовательными продолжателями атомизма (XVII в.) оказались французский философ П. Гассенди и английский химик Р. Бойль (соавтор известного газового закона Бойля—Мариотта — см. подраздел 4.5.8). В их представлении атомы — мельчайшие неделимые частицы, виды которых различаются между собой, а их комбинации образуют физические тела, динамика движения атомов внутри тел определяет процессы, происходящие в веществе.

Развивающаяся атомистика XVII—XVIII вв. усилиями Дж. Дальтона, А. Авогадро, С. Канниццаро привела ученых к необходимости введения в рассмотрения надатомных структур — молекул предметной основы современной химии.

Дальнейшее совершенствование атомно-молекулярных представлений базировалось на развитии экспериментальных методов исследования строения вещества, среди которых следует особо выделить оптическую спектроскопию (немецкие физики Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, 1860 г.) (см. подраздел 11.1). Было установлено, что каждый атом (элемент) обладает характерным оптическим спектром и наделен определенными физическими и химическими свойствами, которые долгое время оставались необъяснимыми. Разнообразие атомов (химических элементов) считалось случайным и невзаимонезависимым. В дальнейшем выяснилось, что существуют группы элементов, обладающих одинаковыми химическими свойствами — одинаковой максимальной валентностью и сходными законами изменения физических свойств при переходе от одной группы к другой. Многими учеными предпринимались попытки их систематизации.

Революционным событием в атомистике стало открытие в 1869 г. Д.И. Менделеевым периодической системы элементов, из которой следовало, что с увеличением атомной массы элементов их химические и физические свойства периодически повторяются. Появление периодической система элементов позволило установить наличие связи между различными видами атомов и предположить, что атом имеет сложное строение, изменяющееся с атомной массой. На передний план вышла проблема раскрытия внутренней структуры атома.

Первые модели (ядерно-планетарные) строения атома появились в самом начале XX в. (Ж. Перрен (в 1901 г.), X. Нагаоки (в 1904 г.)).

В такой модели атом выглядит как планета (рис. 7.46, а), роль которой выполняет положительно заряженный шар, представляющий собой основную часть объема атома, а электроны являются спутниками, подобными кольцам Сатурна. Наиболее широкое распространение получила модель Дж.Дж. Томсона (1903 г.), в ней нейтральный в целом атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую вкраплены небольшие (по сравнению с атомом) отрицательные электроны — «пудинг с изюмом» (рис. 7.46, б). Электроны удерживаются в атоме благодаря силам притяжения со стороны распределенного положительного заряда, уравновешивающего силы их взаимного отталкивания. Томсоновская модель давала объяснение испускания, поглощения и рассеяния света атомом. Так, при смещении электрона из положения равновесия в таком атоме возникает квазиупругая кулоновская сила, стремящаяся восстановить его. Эта сила пропорциональна смещению и, следовательно, возникшему в результате электрическому дипольному моменту атома, т.е. появляется электронная поляризация, подобная рассмотренной в подразделе 5.2.4.

Модели атома

Рис. 7.46. Модели атома:

а — Перрена — Нагаоки; б — Дж.Дж. Томсона; в — Бора — Резерфорда

Под действием падающей на вещество электромагнитной волны электроны в атоме колеблются с той же частотой, что и напряженность электрического поля в световой волне и, в свою очередь, испускают свет той же частоты. Таков «механизм» рассеяния электромагнитных волн атомами в модели Томсона. По степени ослабления светового пучка веществом можно определить число рассеивающих центров- электронов, а зная число атомов в единице объема, — определить число электронов в атоме.

Качественная модель атома Томсона и другие гипотетические модели нуждались в экспериментальном обосновании. И эксперимент сказал свое «решающее слово» в опытах Э. Резерфорда (1906—1909 гг.) по рассеянию а-частиц[1] на золотой фольге.

В этих опытах использовались а-частицы, которые благодаря своей большей массе (в 7350 раз больше массы электрона) не претерпевают заметного отклонения при столкновении с электронами атома, что позволяет регистрировать только их взаимодействие с положительно заряженной частью атома. В качестве источника а-частиц был взят радий, а а-частицы, претерпевавшие рассеяние в тонкой (~1 мкм) золотой фольге, регистрировались по сцинтилляционным вспышкам на экране из сульфида цинка, куда они попадали в результате рассеяния.

Исходные предположения Резерфорда были таковы.

Атом Томсона — это положительно заряженная «капелька» в которую вкраплены электроны (см. рис. 7.46, б). Проникая в такую каплю а-частицы рассеиваются как на ее положительном заряде, так и на электронах. «Капля» имеет радиус R ~ 10-8 см. Расчеты показывают, что средний угол рассеяния а-частицы с энергией ~5 МэВ на атоме Томсона составляет очень малую величину -0,02—0,03°.

Если в мишень, состоящую, например, из 104 слоев атомов Томсона направить поток а-частиц, то в каждом слое они будут испытывать столкновения в различных направлениях, и при вылете из мишени их средний угол отклонений будет составлять 2—3° (рис. 7.47, а). Резерфорд вычислил вероятность обратного, т.е. на угол 180°, рассеяния а-частицы в такой среде. Эта вероятность оказалась ~Ю-3000, т.е. практически равной нулю. Это означает, что в мишени, состоящей из атомов Томсона, ожидать рассеяния на большие углы бессмысленно.

Опыт Резерфорда по рассеянию а-частиц атомом

Рис. 7.47. Опыт Резерфорда по рассеянию а-частиц атомом: а — рассеяние в модели Томсона; б — рассеяние в модели Бора — Резерфорда

Результат опытов оказался противоположным ожидаемому. Большинство а-частиц проходило через золотую фольгу по прямым или почти прямым траекториям, но, в то же время, некоторые из них отклонялись на очень большие углы (вплоть до рассеяния назад), что свидетельствовало о наличии в атоме чрезвычайно плотного положительно заряженного образования.

Если рассмотреть рассеяние а-частицы в опыте Резерфорда, то на атомных электронах оно столь же мало, как и в модели атома Томсона, т.е. составляет 0,02—0,03° на отдельном атоме. Рассеяние же на локальном положительном заряде — ядре (если масса ядра много больше массы а-частицы) может привести к большим углам, в том числе и 180°.

Проследим движение а-частицы в мишени, состоящей из атомов с положительными ядрами. Если принять, что размеры атома составляют величину ~10-8 см, то площадь мишени, состоящей из 104 атомных слоев, полностью перекрывается атомами. Если а-частица пролетает через электронную оболочку, то она испытывает лишь еле заметные отклонения от первоначальной траектории движения. То есть если а-частица случайно не натолкнулась на ядро, то она движется так же, как и в мишени Томсона (см. рис. 7.47, а). Если а-частица столкнется с тяжелым ядром, то направление ее траектории изменится существенным образом (рис. 7.47, б). Такое столкновение значительно менее вероятно, чем столкновение с электронной оболочкой потому, что размер ядра (как выяснилось позднее) на 4—5 порядков меньше размера атома.

Основываясь на своих экспериментальных результатах, Резерфорд в 1911 г. предложил такую ядерную модель атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, размеры которого ничтожно малы по сравнению с размерами атома; вокруг ядра вращаются локальные образования — отрицательно заряженные электроны (рис. 7.46, в), масса которых составляет приблизительно половину атомной массы атома. Модель атома Резерфорда при несомненных достоинствах содержала важное противоречие: в соответствии с законами классической электродинамики вращающийся (т.е. движущийся с ускорением) вокруг ядра электрон должен был непрерывно испускать электромагнитное излучение, теряя энергию. Вследствие этого радиус его орбиты должен был быстро уменьшаться, и рассчитанное из этих представлений время жизни атома оказывалось ничтожно малым (электрон должен упасть на ядро). Тем не менее модель Резерфорда послужила основой для создания принципиально новой теории, которую разработал к 1913 г. датский физик Н. Бор.

Модель Бора опиралась на квантовую гипотезу Планка (см. подраздел 7.6.3) и экспериментальные данные Резерфорда, а также на спектральные результаты Я. Бальмера, Т. Лаймана и Ф. Пашена, которые обнаружили, что линии в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной частотной областях подчиняются простой закономерности: их частоты пропорциональны разности обратных квадратов целых чисел. Эта закономерность была обобщена В. Ритцем в известный комбинационный принцип. Огромная заслуга Бора состояла в том, что он ясно понял, что нужно сохранить планетарную модель атома (модель Резерфорда), введя в нее фундаментальные идеи квантовой теории.

В основе теории Бора находятся два положения-постулата, принимаемые без доказательства.

  • [1] а-частицей называется ядро атома гелия (двукратно ионизированный атом гелия). Онаимеет положительный электрический заряд q„ = +2е, где е — элементарный заряд, равный 1,6- 10-19 Кл, и состоит из двух протонов и двух нейтронов.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >