Тема13.1. Фізика атома. Квантова механіка. Спектральний аналіз. (2 год.)

Мета: познайомити студентів з будовою атома, поглибити знання про спектри та спектральний аналіз; розвивати пізнавальний інтерес, логічне мислення.

План.

1. Будова атома.

2. Спектри світла. Спектральний аналіз.

3. Постулати Бора.

4. Рентгенівське випромінювання.

5. Квантові генератори (лазери).

Вивчення нового матеріалу.

. Будова атома.

Термін «атом», введений ще Демокритом, буквально означає – неподільний. Та наприкінці ХІХ століття з’явилися факти, які підтверджували складну будову атома. М.Фарадей під час вивчення законів електролізу у 1833 році зробив висновок про наявність у структурі атома електричних зарядів.

У 1897 році англійський фізик Дж. Томсон, вивчаючи електричний розряд у газах, відкрив електрон та виміряв його важливу характеристику – питомий заряд, що дорівнював 1,76.10^-11 Кл/кГ.

Модель Томсона. Вчені не одразу вірно уявили собі будову атома. Першим свою модель запропонував Дж. Томсон.

За думкою Томсона, атом уявляв собою позитивно заряджену кулю радіусом R = 10^-8см, всередині якої містяться електрони. Маса атома рівномірно розподілена по всьому його об’єму. Модель Томсона отримала назву «кексу з родзинками», де роль родзинок виконували електрони. Але така модель не відповідала даним експериментів з дослідження позитивного заряду атома, які були проведені Ернестом Резерфордом.

Досліди Резерфорда. Метою дослідів Резерфорда стала перевірка спроможності моделі Томсона. Якщо б модель, запропонована Томсоном була вірною, то під час пропускання пучка швидких α-частинок (ядер гелію) крізь досить тонку металічну плівку, експериментатори не повинні були спостерігати помітного їх відхилення від траєкторії.

Схема досліду зображена на рисунку 1: α-частинки вилітали з джерела радіоактивного випромінювання, розміщеного у свинцевому контейнері, та проходили крізь золоту фольгу. Навколо фольги міг обертатися екран, який спалахував у місцях попадання α-частинок.

Рис. 1 Спалахи спостерігалися за допомогою мікроскопа. Резерфорд помітив, що деякі ядра гелію, пройшовши крізь фольгу, відхилялися на значні кути, а незначна кількість навіть відбивається назад. Основна ж кількість ядер проходила крізь фольгу так, ніби її там і не було.

На основі отриманих даних Резерфорд сформулював такі висновки:

• В центрі атома розташоване позитивно заряджене атомне ядро, діаметр якого ~ 10^-15м. В ядрі зосереджена практично вся маса атома.

• Навколо ядра на досить великій відстані від нього обертаються негативно заряджені електрони ( атом в основному пустотілий).

• Позитивний заряд ядра по модулю дорівнює добутку заряду електрона на порядковий номер хімічного елемента в таблиці Менделєєва.

• У цілому атом є електрично нейтральною системою.

Перелічені вище висновки Резерфорд взяв за основу запропонованої ним планетарної моделі (ядерної) моделі будови атома.

Незважаючи на те, що модель атома, запропонована Резерфордом, добре пояснювала дані, отримані під час експериментів, вона також мала протиріччя:

1. Ядро атома заряджене позитивно, а електрони – негативно. Це означає, що між ними існує сила кулонівського перетягування. Тож, для того, щоб електрони не впали на ядро, вони повинні рухатися навколо нього з доцентровим прискоренням. За електродинамікою Максвелла, електричний заряд, що прискорено рухається, повинен неперервно випромінювати електромагнітні хвилі. Між тим, у нормальному стані атоми не випромінюють.

2. Повсякденний дослід говорить про стабільність атомів. Але через випромінювання електромагнітних хвиль енергія електронів повинна була б весь час зменшуватися, і результатом такого процесу було б їх падіння на ядро. Розрахунки показують, що процес «падіння» тривав би всього 10^-8с.

Насправді нічого подібного не відбувається. Атоми стійкі і у нормальному (не збудженому) стані можуть існувати безмежно довго, абсолютно не випромінюючи електромагнітні хвилі. До того ж, наприкінці ХІХ століття достатньо детально було досліджено спектри випромінювання та поглинання розжарених газів – лінійчаті спектри.

Висновок про обов’язкову загибель атома через втрату енергії на випромінювання, який ніяк не узгоджується з дослідом, - це результат застосування законів класичної фізики до явищ, що відбуваються всередині атома. Це наводить на думку про те, що до явищ атомних масштабів закони класичної фізики не підходять.

Спектри світла. Світло Сонця, лампи розжарювання, свічки розкладається призмою у суцільний ( безперервний) спектр. Це говорить про те, що ці тіла випромінюють хвилі усіх можливих частот (довжин) хвиль. Для отримання безперервного спектра тіло потрібно нагріти до високої температури, після чого атоми речовини починають випромінювати світло.

Безперервні спектри визначаються не тільки випромінювальною властивістю атомів, але значною мірою залежать від взаємодії атомів один з одним, тому такі спектри дають тіла у твердому або рідкому стані, а також стиснуті гази.

Смугасті спектри складаються з окремих смуг, розділених темними проміжками. Кожна смуга складається з великої кількості щільно розташованих ліній. Смугасті спектри випромінюють молекули, не зв’язані або слабко зв’язані одна з одною: світіння пари в полум’ї або світіння газового розряду.

Лінійчаті спектри. Лінійчаті спектри випромінювання уявляють собою набір вузьких ліній різних кольорів. Вивчення таких спектрів для різних речовин показало, що кожен хімічний елемент має свій спектр, який не співпадає зі спектрами інших елементів. Лінійчаті спектри випромінювання хімічних елементів відрізняються кольором, положенням та кількістю окремих світлових ліній. З цього робимо висновок, що атом кожного хімічного елементу може випромінювати та поглинати тільки свій власний набір квантів визначеної енергії ( наприклад, атом Гідрогену може випромінювати та поглинати у видимому діапазоні кванти фіолетового, синього, зеленого та червоного кольору).

Для того, щоб спостерігати світіння газу, його треба нагріти до високої температури, або пропускати крізь нього електричний струм. Якщо ж речовина знаходиться у твердому стані, то у полум’я горілки вносять її малесенькі купочки, або розчин. Випаровуючись, речовина дає лінійчатий спектр.

Лінійчатий спектр поглинання має вигляд темних ліній на тлі неперервного спектру. Розташування темних ліній співпадає з розташуванням кольорових ліній у спектрі випромінювання даного газу.

Спектральні прилади

( спектроскопи та спектрографи) – це прилади для дослідження спектрального складу електромагнітних випромінювань за довжинами хвиль, отримання спектральних характеристик випромінювачів та об’єктів, які взаємодіють з випромінюванням, а також спектрального аналізу.

Спектральний аналіз являє собою сукупність методів, які дозволяють за спектром речовини визначити, з яких елементів або молекул складається речовина, яка її будова, скільки домішок в ній міститься.

Оптичний спектр будь-якого атома (або іона) виключно індивідуальний, як відбитки пальців людини, тому сплутати його зі спектром іншого атома неможливо.

В результаті багатьох досліджень було створено атлас спектральних ліній всіх відомих атомів та їх іонів. За допомогою таких атласів проводиться ідентифікація складових речовини за її спектром. Кількісний вміст домішок елемента в речовині визначається за залежністю інтенсивності лінії випромінювання від його концентрації у досліджуваній речовині.

Постулати Бора. Вихід з вкрай складного положення з уявленнями про будову атома винайшов у 1913 році датський фізик Нільс Бор. Він пішов шляхом квантових уявлень про світло.

Послідовної теорії атома Бор не надав, але у вигляді постулатів сформулював основні положення нової теорії. Він не відкидав і закони класичної фізики також. Його постулати скоріше накладали деякі обмеження на рухи, що були можливі з точки зори класичної фізики. Постулати Бора склали основу квантової механіки.

Перший постулат Бора: Атомна система може знаходитися тільки в особливих стаціонарних (квантових) станах, кожному з яких відповідає енергія Е_n; в стаціонарному стані атом не випромінює.

Другий постулат Бора: Під час переходу атома з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається квант електромагнітної енергії.

Випромінювання відбувається, коли атом переходить зі стану з більшою енергією у стан з меншою енергією (рис.2,а).

Поглинання атомом енергії супроводжується переходом атома зі стану з меншою енергією у стан з більшою енергією (рис. 2,б).

Енергія фотона дорівнює різниці енергій атома в двох його стаціонарних станах:

hν = E_k – E_n

де k, n – номери стаціонарних станів.

Рис. 2

Поглинання світла – це процес, зворотній до випромінювання. Атом даного хімічного елемента поглинає ті ж самі частоти, які випромінює, коли переходить з вищих енергетичних станів у нижчі.

Рентгенівське випромінювання. Наприкінці ХІХ століття було відкрите випромінювання невідомої на той час природи, яке супроводжувало газовий розряд за низького тиску. Початок випромінювання брало від катода газорозрядної трубки, тому йому дали назву катодних променів.

Досліджували відкрите явище Іван Пулюй та Вільгельм Рентген. Дослідами було встановлено, що нові промені здатні виходити за межі трубки та мають досить високу проникність. Рентген назвав досліджувані промені Х – променями. Тепер ми знаємо ці промені під назвою рентгенівського випромінювання.

Рентгенівські промені утворюються під час гальмування швидких електронів на речовині аноду трубки. Електрони, прискорені потужним електричним полем у просторі між катодом та анодом, набирають великої кінетичної енергії. Удари електронів об анод призводять до зміни енергетичного стану атомів аноду. Отримавши додаткову енергію, атоми аноду випромінюють рентгенівські промені.

Квантові генератори (лазери).

Лазер (оптичний квантовий генератор, абревіатура слів англійською Light Ampflikcation by Stimulated Emission of Radiation, що означає «посилення світла вимушеним випромінюванням») – це пристрій, який перетворює різні види енергії (електричну, світлову, теплову, хімічну тощо) на енергію когерентного електромагнітного випромінювання оптичного діапазону.

У звичайних джерелах світла атоми отримують енергію завдяки збудженню валентних електронів, які знаходяться на зовнішніх електронних оболонках. Атоми збуджуються та випромінюють фотони незалежно один від одного, тому випромінені ним фотони некогерентні один з одним.

У 1917 році А.Ейнштейн передбачив, що збуджений атом може випромінювати під дією світла, що падає на нього – індуковане випромінювання.

Індуковане (вимушене) випромінювання – випромінювання атома, яке виникає при переході на нижчий енергетичний рівень під впливом зовнішнього електромагнітного випромінювання.

Інтенсивність індукованого випромінювання пропорційна концентрації атомів, які знаходяться у збудженому стані. При цьому світлова хвиля, яка виникла при індукованому випромінюванні, має ту саму частоту, поляризацію, фазу та напрямок поширення, що й хвиля, що падає на атом. Це означає, що інтенсивність падаючого випромінювання зростає, тобто виникає оптичне посилення.

У 1939 році російський фізик В.О.Фабрикант спостерігав експериментально посилення електромагнітних хвиль (оптичне посилення) в результаті індукованого випромінювання. Російські вчені М.Г Басов, О.М. Прохоров та американський фізик Ч. Таунс, які створили у 1954 р. квантовий генератор випромінювання, що працював у сантиметровому діапазоні (мазер), були відзначені у 1964 р. Нобелевською премією з фізики.

Перший квантовий генератор, який працював на кристалі рубіна у видимому діапазоні (лазер), був створений у 1960 році американським вченим Т. Мейманом.

Зараз існують багато різних типів та конструкцій лазерів. Лазерне випромінювання має певні властивості:

• виключна монохроматичність та когерентність;

• пучок лазера має дуже малий кут розходження (приблизно 10^-5 рад);

• лазер – найбільш потужне штучне джерело світла. Напруженість електричного поля в електромагнітній хвилі, що випромінюється лазером, перевищує напруженість поля всередині атома.

Застосування лазерного випромінювання. Велика потужність та вузькість лазерного пучка під час фокусування дозволяє отримати густину потоку енергії, яка в 1000 разів перевищує сфокусовану енергію сонячного світла. Такі пучки можна використовувати для механічної обробки та зварювання, для впливу на хід хімічних реакцій тощо.

Висока когерентність випромінювання надає можливість його використання для напрямленого радіозв’язку у космосі, а також для здійснення такого явища, як голографія.

Широкого застосування лазерне випромінювання набуло у медицині (лазерний скальпель, операції на сітківка очей тощо).

Запитання для самоперевірки:

1. Як уявляв собі будову атома Дж. Томсон?

2. У чому полягає модель будови атома за Резерфордом?

3. Які дані з досліду Резерфорда доводять невірність моделі Томсона?

4. У чому полягають протиріччя планетарної моделі атома?

5. Чому саме лінійчаті спектри складають основу спектрального аналізу?

6. Сформулюйте постулати Бора.

7. Як визначити частоту випромінювання атома?

8. Яка суттєва різниця існує між спонтанним та вимушеним випромінюванням атомів?

9. Кому з учених належить ідея існування індукованого випромінювання?

10. Хто з учених першим на практиці отримав вимушене випромінювання?

11. Ким був створений мазер?

12. Кому належить винахід лазера?

13. Особливості лазерного випромінювання.

14. Застосування лазерного випромінювання.