Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач

Опыт Э.Резерфорда

И–источник α излучения; К–свинцовый кубик с каналом; Э–экран, – покрытый ZnS

Этот опыт заключался в бомбардировке тонкого слоя како-го-либо вещества, в частности, металлической фольги, пучком быстро движущихся α-частиц и наблюдении, в каком направлении α-частицы рассеиваются атомами.

Сущность опыта заключается в следующем. Кусочек радия, помещенный в камеру из свинца, испускает α-частицы. Не-большое отверстие в свинцовом блоке формирует пучок α-частиц. Этот пучок проходит затем через металлическую фольгу, и прослеживаются направления, в которых α-частицы продол-жают свое движение. Направление движение можно устано-вить, применяя экран, покрытый сульфидом цинка; при ударе α-частицы о такой экран на нем появляется вспышка.

Если бы атомы, бомбардируемые α-частицами, представ-ляли бы собой плотные образования, состоящие из переме-шанных положительных и отрицательных зарядов, то все они должны были бы в какой-то мере изменить направление своего движения. Однако в действительности большинство α-частиц проходит через фольгу без отклонения.

В одном из опытов α-частицы проходили через золотую фольгу толщиной 400 нм и проникали через 1000 слоев атомов, и всего лишь одна частица из 100000 отклонялась от первона-чального направления. Это частица отклонялась очень сильно, более чем на 90°. Когда брали фольгу вдвое толще, то оказыва-лось, что примерно вдвое большее число α-частиц отклонялось под большими углами, тогда как подавляющее большинство по-прежнему проходило через фольгу без отклонения.

Эти экспериментальные данные можно понять, если допустить, что большая часть массы атома сосредоточена в очень небольшом объеме, который Резерфорд назвал атомным ядром.

Если лишь одна частица из 100000 отклоняется при прохождении через фольгу, состоящую из 1000 слоев атомов, то примерно одна частица из 100000000 будет отклоняться при прохождении через 1 слой атомов. Исходя из этого, Резерфорд заключил, что тяжелое ядро имеет площадь поперечного се-чения, составляющую только 0,00000001 часть площади по-перечного сечения всего атома, а следовательно, диаметр ядра составляет всего лишь 10-5 диаметра атома.

Такая ядерная модель атома оказалась в противоречии с за-конами классической механики и электродинамики, поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии. Резерфорду пришлось отказаться от статической мо-дели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра по искривленным траекториям. Но в этом случае электрон будет двигаться с ускорением, в связи с чем, согласно классической электродинамике, он должен непрерывно излучать электромагнитные (световые) волны. Процесс излучения сопровождается потерей энергии, так что электрон должен в конечном итоге упасть на ядро («смерть» электрона).

Выход из создавшегося положения был найден датским физиком Нильсом Бором в 1913 году путем введения предположений, противоречащих классическим представлениям. Он высказал два постулата:

Из бесконечного множества электронных орбит, возможных

точки зрения классической механики, осуществляется в действительности только некоторые дискретные орбиты. удовлетво-ряющие определенным квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает электромагнитных волн.

2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии hv при переходе из одного стационарного состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершаются квантовый скачок энергии электрона

hv = Ек – Еm

К этим двум постулатам Бор добавил квантовое условие:

J = m Vk rk = kh/2 ,

где Vr – скорость электрона на k-ой орбите, J – момент количества движения электрона, rk – радиус орбиты.

Эту планетарную модель Бора нельзя, конечно, считать серьезной теорией. Однако она хорошо согласуется с опытными данными для атома водорода, т.к. дала количественное объяснение спектра атома водорода, и это было большим успехом новых идей.

Существование дискретных энергетических уровней атома подтвердили опыты Герца в 1914 году.

Теория Нильса Бора позволяет вычислить возможные частоты излучения, способного испускаться или поглощаться атомом, т. е. рассчитывать спектр атома водорода.

ПОСТУЛАТЫ БОРА противоречат положениям классической механики и электродинамики. Электрон может вращаться по любым орбитам и должен излучать при движении по круговой орбите.

Расчет спектра простейшего атома – атома водорода, выполненный Бором, дал блестящие результаты: вычисленное положение спектральных линий в видимой части спектра превосходно совпало с их действительным местоположением в спектре. При этом оказалось, что эти линии соответствуют переходу электрона с более удаленных орбит на вторую от ядра орбиту.