Впервые эксперимент по изучению внутренней структуры атома осуществлен в 1910-1911 г. английским физиком Э.Резерфордом и его студентами Э.Марсденом и Х.Гейгером.

В этих опы­тах узкий пучок α-частиц (ядра атомов гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемых радиоак­тивным веществом, , пролетающими сквозь щели в свинцовых экранах, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, покрытый слоем сернистого цинка ZnS способный светиться под ударами быстрых частиц. По количеству вспышек определялось число частиц, рассеянных фольгой на определенный угол.

Большинство α-частиц проходили фольгу практически беспрепятственно, отклоняясь на углы менее 1о. Однако некоторые α-частицы резко отклонялись от первоначального направления и даже отражались назад.

Столкновение α-частицы с электроном не может существенно изменить ее траекторию, так как масса электрона в 73000 раз меньше массы α-частицы.

Резерфорд предположил, что отражение α-частиц обусловлено их отталкиванием положительно заряженными частицами с массой соизмеримой с массой α-частиц.

Малая доля частиц в общем потоке, испытывающих значительное рассеивание, была объяснена тем, что положительный заряд в атоме содержится не равномерно, а в некотором объеме, значительно меньшем размера атома.

Эта центральную часть была названа ядром атома, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса.

Рассеяние α-частиц Резерфорд объяснил тем, что положитель­ный заряд не распределен равномерно в шаре радиу­сом 10-10м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома — атомном ядре.

При прохождении около ядра α-частица, имеющая поло­жительный заряд, отталкивается от него, а при по­падании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует цент­ральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома.

Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10-15м.

Наиболее точные результаты получаются при изуче­нии рассеяния быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле:

R ≈ 1.2*10-15A м.

По сравнению с размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является пустым пространством.

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА(уч.10кл.стр.211-215,уч.11кл.стр.329)

Планетарная модель атома Томпсона

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц(см.выше уч.11кл.стр.329)

Планетарная модель атома

Планетарная модель и устойчивость атома

Постулаты Бора (см.ниже)

Явление радиоактивности дало основание предположить, что в состав атома входят отрицательные и положительно заряженные частицы, а в целом атом электронейтрален.

Опираясь на эти и некоторые другие факты, английский физик Джозеф Джон Томсон в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома:

Атом представляет собой шар, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд. Внутри этого шара находятся электроны. Каждый электрон может совершать колебательные движения около своего положения равновесия. Положительный заряд шара равен по модулю суммарному отрицательному заряду электронов.

Для экспериментальной проверки модели атома Томпсона действительно ли положительный заряд распределен по всему объему атома с постоянной плотностью в 1911 г. Резерфорд с сотрудниками провел ряд опытов по исследованию состава и строения атома. (см.выше «Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц»)

Опыты Резерфорда позволяют оценить максимальный размер R атомного ядра.

При центральном столкновении α-частицы (с зарядом +2e) с ядром (заряд +Ze), она останавливается кулоновскими силами отталкивания на расстоянии r от центра ядра (r > R).

В точке остановки кинетическая энергия Ek α-частицы переходит в потенциальную:

Ek = k , где k = 9*109Н*м2/Кл2

Следовательно, размер атомного ядра определиться соотношением:

R <

Линейный размер ядра по крайней мере в 10000 раз меньше размера атома.

Из опытов Резерфорда непосредственно следует планетарная модель атома.

В центре атома расположено положительно заряженное ядра, вокруг которого вращаются под действием кулоновских сил притяжения электроны.

Атом электрически нейтрален: заряд ядра равен суммарному заряду электронов.

Размер атома определяется радиусом орбиты валентного электрона.

Атомы устойчивы и в состоянии с минимальной энергией могут существовать неограниченно долго.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить устойчивость атомов:

1. Электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, теряя энергию на электромагнитное излучение при движении с ускорением по круговой орбите;

2. При движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т.е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр.

Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА-БОРА. КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ БОРА(уч.11кл.стр.330-336)

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц(см.выше)

Планетарная модель атома Резерфорда и устойчивость атома.

Первый постулат Бора

Правило квантования орбит Бора

Энергетический спектр атома.

Энергетические уровни

Основное состояние атома

Свободное и связанное состояния электрона

Ионизация атома (энергетические перехода электрона)

Второй постулат Бора

Спектры излучения и поглощения атома

Опыт Франка и Герца УТОЧНИТЬ

Первая модель строения атома принадлежит Томсону.

Он предположил, что атом это положительно заряженный шар, внутри которого расположены вкрапления отрицательно заряженных электронов.

Резерфорд провел опыт по облучению быстрыми альфа-частицами металлической пластинки.

При этом наблюдалось, что часть из них немного отклоняются от прямолинейного распространения, а некоторая доля – на углы более 20.

Это было объяснено тем, что положительный заряд в атоме содержится не равномерно, а в некотором объеме, значительно меньшем размера атома.

Эта центральную часть была названа ядром атома, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса. Радиус атомного ядра имеет размеры порядка 10-15 м.

(См.выше «Планетарная модель атома»)

Также Резерфорд предложил т.н. планетарную модель атома, по которой электроны вращаются вокруг атома как планеты вокруг Солнца. Радиус самой дальней орбиты равен радиусу атома.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:

электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система;

при движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т.е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр.

В атоме элек­троны, двигаясь вокруг ядра, обладают центростремительным ускорением. Поэтому они должны бы излучать энергию в виде электромагнитных волн. В результате этого электроны будут двигаться по спиральным траектори­ям, приближаясь к ядру, и, наконец, упасть на него. После этого атом пре­кращает своё существование. В действительности же атомы являются устойчивыми образованиями.

Известно, что заряженные частицы, двигаясь по окружности, излучают электромагнитные волны с частотой, равной частоте вращения час­тицы. Электроны в атоме, двигаясь по спиральной траектории, меняют частоту вращения. Поэтому частота излучаемых электромагнитных волн плавно изменяется, и атом должен бы излучать электромагнитные волны в некотором частотном интервале, т.е. спектр атома будет сплошным. В действительности же он линейчатый.

Для устранения указанных недостат­ков Бор пришёл к выводу, что необходимо отказаться от классических представлений. В 1913 г., разрабатывая теорию атома водорода, он постулировал ряда принципов, которые получили на­звание постулатов Бора.

В основу своей теории Бор положил два посту­лата:

Первый постулат: атомная система может на­ходиться только в особых стационарных или кван­товых состояниях, каждому из которых соответ­ствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает (хотя происходит ускоренное движение)

В устойчивом атоме электрон может двигаться только по особым, стационарным орбитам, не излучая при этом электромагнитной энергии.

Правило квантования орбит Бора:

На длине окружности каждой стационарной орбиты укладывается целое число n,( называемое главным квантовым числом), длин волн де Бройля (λБ = ), соответствующих движению электрона

= n

где n = 1, 2, 3, ... главное квантовое число

Целое число волн, укладывающихся на стационарной орбите, необходимо из соображений симметрии для плавного замыкания гармонической кривой.

Правило квантования орбит Бора учитывает волновые свойства электрона.

На стационарной орбите момент импульса электрона квантуется (кратен постоянной Планка ћ)

mevr = nћ

где ћ = h/2π = 1.05*10-34Дж*с – постоянная Планка (аш перечеркнутое)

n = 1, 2, 3, ...

На электрон, вращающийся вокруг ядра, действует кулоновская сила Fk = ke2/r2, сообщающая электрону центростремительное ускорение an = v2/r.

По второму закону Ньютона:

me = k

Радиусы стационарных орбит находим из выражений me = k ; mevr = nћ :

 rn = n2 . где n = 1, 2, 3, ...

Радиусы стационарных орбит квантуются, т.е. имеют дискретные значения, пропорциональные квадрату главного квантового числа.

Атом имеет минимальный размер, когда n = 1

Скорость движения электрона по n-й орбите:

vn = k , где n = 1, 2, 3, ...

Это означает, что электрон может находиться на нескольких вполне определенных орбитах.

Каждой орбите электрона со­ответствует вполне определенная энергия.

Энергетический спектр атома водорода

Энергия электрона в атоме складывается из его кинетической энергии и потенциальной кулоновской энергии взаимодействия с ядром:

E = -

Нуль потенциальной энергии электрона выбран на бесконечном расстоянии от ядра.

Знак минус соответствует энергии притяжения отрицательного и положительного зарядов.

Подставляя в последнее выражение значения радиусов стационарных орбит и скорости движения по ним электрона получаем возможную величину энергии электрона в атоме:

 En = - , где n = 1, 2, 3, ...

Энергия электрона в атоме принимает не любые, а дискретные значения, т.е. квантуется.

Энергетический уровень – энергия, которой обладает атомный электрон в определенном стационарном состоянии.

Состояние атома с n=1 называют основным состоянием

Основное состояние атома (молекулы) – состояние с минимальной энергией.

В основном состоянии электрон находится ближе всего к ядру и его энергия связи с ядром максимальна по модулю.

Все состояния, кроме одного, являются стационарными условно, и только в одном – основном, в котором электрон обладает минимальным запасом энергии – атом может находиться сколь угодно долго, а остальные состояния называются возбужденными.

Возбужденные состояния атома – состояния с n > 1

Чем больше главное квантовое число n, тем дальше от ядра находится электрон, тем выше его энергетический уровень.

Энергетические уровни атома принято изображать горизонтальными линиями, перпендикулярными оси энергий.

При n ® ∞ электрон удаляется от ядра на бесконечно большое расстояние, а его энергия связи с ядром стремиться к нулю. Это значит, что при Е = 0 электрон уже не связан с ядром, становясь свободной частицей.

Свободные состояния электрона – энергетические состояния с положительной энрегией электрона.

В свободном состоянии скорость электрона и его кинетическая энергия может быть любой.

Энергетический спектр свободных состояний непрерывен.

Двигаясь по орбите вокруг ядра, электрон связан с атомом, или, как говорят, находится в связанном состоянии.

Связанные состояния электрона - энергетические состояния с отрицательной энергией электрона.

Энергетический спектр связанных состояний дискретен.

Для вырывания электрона из атома требуется дополнительная энергия для преодоления кулоновского притяжения электрона к ядру

Энергия ионизации – минимальная энергия, которую нужно затратить для перевода электрона из основного состояния атома в свободное состояние

I1= │E1│

Если энергия фотона недостаточна для ионизации атома hυ < I1, электрон, находящийся на первой боровской орбите (в основном состоянии с энергией Е1), под действием фотона может перескочить на другую орбиту, соответствующую возбужденному состоянию с энергией Em.

Согласно закону сохранения энергии этот переход электрона возможен, если частота υm поглощаемого фотона удовлетворяет соотношению.

hυm = Em – E1

Второй постулат Бора

Излучение света атомом происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с меньшей энергией En

При переходе из одного ста­ционарного состояния в другое испускается или по­глощается квант электромагнитного излучения.

Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний:

 hυkm = Ek – En .

При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную, атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.

Подставляя значения энергии атома в начальном и конечном состояниях:

υkm = ( - ) , где n = 1, 2, 3, ...; k > n

Все возможные частоты, определяемые этим выражением, дают спектр атома водорода, хорошо согласующийся с экспериментальными данными

Спектр составляют ряд серий излучения, каждая из которых образуется при переходах атома в одно из фиксированных нижних энергетических состояний n из всех возможных энергетических состояний k ( k > n )

Переходы в первое возбужденное состояние (n = 2)с верхних уровней образуют серию Бальмера, наблюдаемую в видимом спектре.

Спектр поглощения вещества определяется в результате сравнения спектра излучения, падающего на вещество, со спектром излучения, прошедшего через него.

Атом вещества поглощает излучение той же частоты , которую излучает.

Опыт Франка и Герца

В1913г. исследовались столкновения электронов с атомами ртути.

УТОЧНИК ГРАФИК

В стеклянной трубке находились пары ртути. Электроны, вылетевшие из катода , нагреваемого электрическим током, ускоряются электрическим полем между катодом и сеткой. Их кинетическая энергия при достижения сетки равна работе электрического поля eU (e-заряд электрона, U- ускоряющее напряжение).

Между сеткой и анодом электроны тормозятся электрическим полем, созданным батареей G2.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64