Модуль 1

Комплексная цель: изучение современных представлений о строении атомов.

Краткое изложение программного материала: в модуле на примере атома водорода рассматривается «планетарная» модель строения атома и дополнения, внесенные в эту модель, с учетом новой квантовой теории. Объясняется природа и механизм возникновения линейчатых спектра излучения атомов.

Содержание модуля 1

1.1.Ядерная модель атома. Дискретные уровни энергии

Современные представления о строении атомов получены на основании многочисленных экспериментальных данных. Э. Резерфорд предложил ядерную «планетарную» модель строения атома; по которой атом состоит из положительно заряженного тяжелого ядра размером порядка 10^-13 см, вокруг которого по замкнутым орбитам движутся электроны, создавая электронную оболочку атома. Заряд ядра равен заряду всех электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Эта модель атома хорошо объясняла опыты по рассеянию α – частиц веществом и позволяла определить заряд ядра; было показано, что заряд ядра q равен порядковому номеру Z элемента в системе Менделеева, умноженному на элементарный заряд е (q = Ze).

Однако резерфордовская схема строения атома приводит к ряду затруднений, которые в основном сводятся к следующему.

Согласно законам классической электродинамики, всякий электрический заряд, вращаясь по орбите, т.е. двигаясь с ускорением, должен непрерывно излучать электромагнитные волны, которые должны непрерывно отбирать энергию от атома, в результате чего электроны будут приближаться к ядру, меняя период обращения, а значит, и частоту излучаемого света. Таким образом, спектр резерфордовского атома по этим законам должен быть сплошным; на самом же деле излучение атомов имеет линейчатый спектр. Вследствие непрерывной потери энергии электроны должны упасть на ядро, и поэтому атом как планетарная система не может долго существовать.

Новые (квантовые) идеи в теорию атомов были внесены Н. Бором в виде трех постулатов:

1. В атомах существуют особые «стационарные» орбиты электронов; движение электронов по этим орбитам не сопровождается излучением.

2. Стационарные орбиты характеризуются тем, что момент количества движения электрона на этих орбитах равен целому кратному от h/2π, где h — постоянная Планка: m·υ·r_n=n·h/2π - «условие квантования» радиуса орбиты или момента количества движения электрона. m — масса электрона; υ — его скорость на n-й возможной орбите радиуса r_n.

3. При переходе электрона с одной орбиты на другую происходит излучение или поглощение кванта hν энергии, величина которого равна разности Е_к и Е_п атома в состояниях до и после перехода электрона с одной орбиты на другую, т.е. hν= Е_к —Е_п - условие частот Бора.

Из дальнейших исследований выяснилось, что энергия атома зависит не только от расстояния между электронами и ядром, но также в некоторой степени и от ряда других факторов. В более общих случаях основные положения боровской теории читаются так:

1. Стационарные состояния атомов выделяются определенными значениями энергии Е₁, Е₂, Е_{3, …}, называемые уровнями энергии атома. Когда атом находится в одном из стационарных состояний, он не излучает энергии.

2. Испускание или поглощение кванта энергии сопровождается переходом атома из одного стационарного состояния с уровнем Е₁ в другое состояние с уровнем энергии Е₂, согласно условию частот.