- •Лекции по квантовой физике
- •Тема I. Двойственность природы микрочастиц. Волновые свойства частиц.
- •§ 1. Гипотеза де-Бройля. Волны де-Бройля. Дифракция электронов.
- •§2. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.
- •§3. Волновая функция и ее физический смысл.
- •Тема II. Атом водорода по Резерфорду-Бору
- •§ 4. Модели строения атома. Опыты Резерфорда по рассеиванию -частиц
- •§ 5. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца
- •§ 7. Теория атома водорода по Бору
- •§6. Спектральные серии атома водорода
- •§ 8. Квантовые числа. Строение электронных оболочек.
- •§9. Таблица Менделеева. Характеристическое рентгеновское излучение.
- •Тема 3. Физика атомного ядра
- •§ 10. Строение атомного ядра. Основные характеристики ядер.
- •§ 11. Энергия связи ядер и дефект масс.
- •§12. Радиоактивность ядер.
- •§ 13. Ядерные реакции.
- •§ 15. Некоторые сведения об элементарных частицах.
Тема II. Атом водорода по Резерфорду-Бору
§ 4. Модели строения атома. Опыты Резерфорда по рассеиванию -частиц
До конца 19 века считали, что атомы – мельчайшие неделимые частицы вещества. Но открытие электрона показало, что эта отрицательно заряженная частица » в 2000 раз легче атома и входит в состав любых атомов.
При различных процессов атомы теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы.
Это означает, что атомы – сложные образования и состоят из положительно заряженных частиц и электронов. Как распределены эти частицы было не известно.
Первая модель строения атома принадлежит Томсону (1901 г.). По этой модели, атом – положительно заряженная сфера, внутри которой вкраплены электроны.
Данная модель не соответствовала экспериментальным фактам.
В
1912 г. Резерфорд провел опыты по зондированию
атомов. Для этого узкий пучок a
- частиц направляется на тонкую
металлическую фольгу, за ней помещается
экран, который покрыт особым веществом,
при соударение с a
- частицами экран светится. Экран можно
перемещать и наблюдение ведется через
микроскоп.
a
- частицы – это изучение, которое дают
некоторые радиоактивные элементы. Они
обладают зарядом
и движутся со скоростью
,
поэтому обладают большой проникающей
способностью.
Опыты
показывают, что a
- частицы, пролетая через фольгу,
рассеиваются на разные углы. В некоторых
случаях угол рассеивания
>90
.
Объяснить это можно взаимодействием a - частиц с положительным зарядом атома. Причем этот заряд должен занимать малый объем и обладать большой массой.
На основании этих опытов была предложена модель строения атома, которая называется ядерная или планетарная.
В центре атома находится положительно заряженное ядро. А вокруг по замкнутым орбитам движутся электроны.
Причем: mатома » mядра; rатома = 10-10 м; rядра = 10-15 м
Данная модель хорошо объясняет опыты Резерфорда, но противоречит законам классической механики и электродинамики.
Электрон, вращающийся вокруг ядра, движется с ускорением, а по законам электродинамики заряд, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны.
Процесс излучения связан с потерей энергии, поэтому радиус орбиты электрона должен все время уменьшаться и электрон должен упасть на ядро.
Реально это не происходит.
Излучение, даваемое таким атомом должно содержать различные длины волн (сплошной спектр излучения).
Из опыта известно, что атом – это устойчивые образования, а спектр их излучения линейчатый, а не сплошной.
§ 5. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца
Для объяснения противоречий модели строения атома опытным фактам датский физик Нильс Бор в 1913 г. обобщил гипотезу Планка для любой атомной системы, положив тем самым начало развитию квантовой теории строения атома.
В основе теории Бора лежат 2 постулата:
I. Атомы и атомные системы могут длительное время находиться в определенных состояниях, называемых стационарным, при этом атом не изучает и не поглощает энергию. Энергии стационарных состояний образуют дискретный ряд Е1, Е2, Е3.
II. Атомы изучают или поглощают энергию при переходе из одного стационарного состояния в другое, при этом квант излучаемой ими поглощаемой энергии определяется соотношением: hv=En–Em , где En , Em – энергии стационарных состояний, между которыми произошел переход.
Данные постулаты экспериментально были подтверждены опытами Франка и Герца.
В трубке, заполненной парами ртути при малом давлении имеются 3 электрода – катод, сетка, анод.
Электроны,
вылетающие и катода за счет термоэлектронной
эмиссии, разгоняются в электрическом
поле между катодом и сеткой, приобретая
энергию
.
Между
сеткой и анодом создается слабое
электрическое поле
,
тормозящее движение электронов.
С помощью гальванометра определяют зависимость тока в цепи от напряжения U1. Получили следующую кривую:
Максимумы тока наблюдаются при U1=4,9 ;9,8;14,7 и т.д. Это объясняется тем, что атомы ртути могут находится только в состоянии с энергиями E1, Е2, Е3, и т.д., а воспринимают энергию DЕ=Е2–Е1.
В
данном случае DЕ=4,9эВ
(электронвольт). Пока энергия
электрона
,соударения
электронов с атомами упругие, т.е.
электрон при соударении не теряет
энергию. Поэтому он преодолевает
тормозящее поле и долетает до анода
(ток растет).
При
,
его соударение с атомом неупругое.
Электрон отдает энергию атому и не может преодолеть тормозящее поле. Ток падает.
Атом ртути пи этом переходит в новое стационарное состояние (возбужденное).
В
этом состоянии атом может находиться
время Dt
»
10-8
c., после чего вновь возвращается в
состояние с энергией Е1,
испуская квант с частотой
.
Длина
волны, соответствующая этой частоте
составляет
,
что подтверждается опытами.
