Рентгенівський спектр складається з неперервного спектру, який не залежить від матеріалу аноду і лінійного (характеристичного рентгенівського спектру) не залежить від матеріалу аноду.
Вивчаючи характеристичні рентгенівські спектри різних хімічних елементів Г. Мозлі встановив, що довжини хвиль для однотипних ліній відповідних серій (наприклад, Кα) змінюються закономірно від положення елементів в періодичній системі. ”Лінії” кожної серії спектра при збільшенні порядкового номера елемента зміщуються в бік менших довжин хвиль. У 1913 р. на основі своїх експериментальних даних Г. Мозлі сформулював закон, за яким корінь квадратний з частоти з частоти
певних ліній одинакових серій характеристичного рентгенівського спектра прямо пропорційний порядковому номеру елемента
(a і b – сталі величині, які залежать від лінії спектра і серії; λ – довжина хвилі власного випромінювання елемента з порядковим номером z). Цей закон давав змогу визначити точні значення порядкових номерів для елементів за діаграмою
Чедвік (1920 р.) експериментально визначив заряди ядер ряду елементів і встановив, що у всіх випадках вони відповідають значенню z у формулі Мозлі.
Для всіх атомів, за винятком гідрогену, маси атомів у 2–2,5 раз перевищує заряди ядер і тому було зрозуміло, що до складу атома входить ще якісь елементарні частки. Дослідження ядерної реакції між α-частинками і ядрами берилію привели до відкриття нейтрону – частка, маса якої рівна масі протона, а заряд рівний нулю.
Відкриття нейтрона стало основою для створення протонно-нейтронної будови ядра.
В 1932 році була відкрита ще одна частка – позитрон (додатній електрон).
Вважається, що протон і нейтрон – це лише різний стан одної і тої ж частки названої нуклоном. Перехід протона у нейтрон супроводиться виділенням позитрона, а перехід нейтрона у протон – виділенням електрона.
Вслід за позитроном була відкрита ще мікрочастка. Ця частка, що немає заряду, була названа нейтрино. Нейтрино має масу спокою рівною нулю і володіє великою проникністю. Вся маса нейтрино зв’язана з його рухом.
Моделі будови атома. Атомні спектри. Теорія Бора
Катодне проміння і радіоактивність показало, що до складу атомів входять електрони. Оскільки атоми електронейтральні, то вони мають містити стільки позитивних ядер скільки і негативних.
Перша модель будови атома запропонована в 1903 р. Дж. Томсоном – кулька заповнена достатньо і негативно зарядженими частками, причому електрони в атомі розміщуються пошарово, а хімічні властивості елементів визначаються зовнішнім шаром електронів.
Для більш точного визначення внутрішньої будови атома Е. Резерфорд провів серію дослідів з α-частинками. α-частинки направлялись на металеві пластинки. Одна частинка на 10 000 відкидалась у вихідне положення – лише при зіткненні із значно більшим позитивним ядром.
У 1911 р. Е. Резерфорд запропонував планетарну модель будови атома в центрі атома міститься позитивно заряджене ядро, маса якого практичо дорівнювала масі атома; навколо ядра на орбіталях рухаються електрони; між ядром і електронами взаємодіють електростатичні сили (кулонівські) зрівноважені відцентровою силою, що виникає внаслідок руху
де m – маса ē; е – заряд ē; v – швидкість руху ē; r – радіус орбіталі.
Діаметр атома складає ~10–8 см, а діаметр ядра ~10–13– 10–12см.
Результати обчислень показали, що заряд ядра рівний порядковому номеру елемента в періодичній системі.
Відомо, якщо сонячний промінь пропускати крізь кварцову призму, то він розкладається і на екрані, поставленому за призмою, виникає кольорова смуга, яка містить усі кольори райдуги. Це пояснюється тим, що білий промінь складається з електромагнітних хвиль різної довжини, які при проходженні через призму заломлюються нею неодинаково і потрапляють на різні ділянки екрану. Такий спектр називається суцільним.
Світло, яке випромінюється розжареним газом або парою складається з електромагнітних хвиль певної довжини. Тому замість суцільної смуги на екрані виникає ряд окремих кольорових ліній, розділених темними проміжками. Так, наприклад, у видимій частині спектра водню міститься п’ять ліній: червона, зелена, синя і дві фіолетові. Спектр калію складається з трьох ліній – дві червоні і одна фіолетова. Такі спектри називаються лінійчатими. Кожному хімічному елементу відповідає свій атомний спектр, який відрізняється від спектрів інших елементів. Модель атома Резерфорда не могла пояснити лінійчатий характер атомних спектрів. Більше того, вона їм суперечила.
Квантова теорія світла
У 1900 р. німецький вчений М. Планк вивчаючи природу випромінювання нагрітих твердих тіл висловив припущення, що енергія випромінюється і поглинається не безперервно, а дискретно, певними порціями – квантами, пропорційними частоті коливань. Тобто перехід від одного енергетичного стану до найближчого іншого супроводжується випромінюванням або поглинанням енергії у вигляді певних порцій – квантів енергії:
Е = hn – рівняння Планка
де n – частота; h – стала Планка = 6,625 · 10–34 Дж·с.
Постулат Планка був обгрунтований у 1905 р. А. Ейнштейном, який аналізуючи явище фотоефекту дійшов висновку, що електромагнітна (промениста) енергія існує лише у формі квантів і випромінювання є потоком неподільних матеріальних часток (фотонів), енергія яких визначається рівнянням Планка.
З погляду класичної механіки обертання ē з масою m навколо ядра атома визначається моментом кількості руху – mvr. Припускається, що v і r можуть змінюватися як завгодно і неперервно.
У квантовій механіці енергія ē, що рухається, може змінюватися тільки квантами. Це означає, що величини r і v також мають змінюватися стрибкоподібно. В квантовій механіці момент кількості руху виражається співвідношенням
і може дорівнювати n
де n = 1,2,3,4.... будь-яке ціле число
Теорія Бора. Пояснення лінійчатого характеру атомних спектрів
Враховуючи квантову теорію світла, лінійчатий характер атомних спектрів, планетарну модель будови атома Резерфорда Н. Бор у 1913 р. сформулював основні свої теорії для атома водню у вигляді постулатів.
1. Поняття стаціонарної орбіталі, перебуваючи на яких електрон не поглинає і не випромінює енергію. Для електронів, що рухаються на таких орбіталях, момент кількості руху повинен бути цілим кратним кількості :
mevr = n (1)
me – маса електрона; v – швидкість руху електрона;
r – радіус орбіти (віддаль між центром ядра і електроном);
n – будь-яке ціле число; h – стала Планка.
З формули (1) визначаємо v:
(2)
Вважаючи, що електрон утримується на такій орбіті внаслідок урівноваження двох сил, що діють на нього: сила електростатичного притягання його ядром і центробіжна сила його оберту. Можемо записати:
(3)
е – заряд електрона і ядра.
З рівняння (3) визначаємо r:
(4)
Підставляємо в (4) значення v із (2):
(5)
(6)
Для першої стаціонарної орбіталі n = 1:
r1= 0,529172 · 10–8 см;
r2 = 22 · r1 = 4 r1; r3 = 9 r1; r4 = 16 r1, тобто r1 : r2 : r3 ... = 12 : 22 : 32 : 42...
З двох рівнянь (7) і (8) можна визначити швидкість руху електрона
Для цього визначимо r з рівнянь (7) і (8), і прирівняємо між собою:
; ;
(9)
Підставивши значення p, me, e і h в (9), одержимо:
vn = 2,187 · 10–6 м/сек.
2. Другий постулат Бора говорить про те, що випромінювання або поглинання енергії проходить квантами при переході електрона з одної стаціонарної орбіталі на іншу.
Вважаючи потенціальну енергію електрона, що знаходиться в нескінченності, рівній нулю, то потенціальна енергія електрона, що перебуває на віддалі r, має слідуюче значення:
Епот = –= – (10)
(у рівняння (10) підставили значення r із формули (6)).
Значення кінетичної енергії електрона наступне:
Екін = –= – (11)
(у рівняння (11) підставили значення v із формули (2)).
Тоді повна енергія електрона рівна:
Е = Епот + Екін = –
Зміна енергії атома при переході електрона з орбіти n = b на орбіту з n = a буде визначатись рівнянням
Еb – Еa = hn = ;
n = ; n = R (R – стала Рідберга)
В результаті Н. Бор визначив сталу Рідберга і показав, що найменше значення енергії електрона атома водню рівне (–R). При переході електрона з одної можливої орбіти на іншу поглинається або випромінюється енергія (мал. ).
Але теорія Бора не спроможна була пояснити порядок розміщення декількох електронів на орбіталі. Складна структура спектру багатоелектронних атомів вимагала більш глибокого наукового пояснення.
Подальше удосконалення теорії будови атома пов’язане з хвильовим характером руху мікрочасток і ймовірним методом опису мікрооб’єктів. У 20-х роках ХХ століття завдяки роботам де Бройль, Е. Шредінгера, В. Гейзенберга були розроблені основи хвильової теорії про корпускулярно-хвильову природу світла.
Мал. . Схема виникнення водневого спектру.
У 1924 р. де Бройль, розвиваючи теорію квантів, ввів поняття про «корпускулярні» хвилі. Він відмітив, що для фотонів повинні виконуватись два основних рівняння:
Е = hn; E = mс2; mс2 = hn; mс2 = h; n = ; λ = ;
P = mс – кількість руху або імпульс.
Потім висунув гіпотезу, що рух таких часток, як електрони, пов’язаний з хвильовим рухом, довжина хвилі якого має вираз аналогічний відповідному рівнянню для фотонів λ = , де m – маса частки (в г); v – швидкість руху частки (см/сек). Ця гіпотеза про хвильову природу електронів одержала експериментальне підтвердження, коли Девіссон і Джермер (1927 р.) і Томсон і Рід (1928 р.) незалежно один від одного показали, що пучок електронів може давати дифракційний інтерференційний ефект. Це явище можна пояснити тільки, якщо електронному пучку приписати хвильові властивості. Тому можна сказати, що не тільки світлові хвилі ведуть себе як потік малих часток (фотонів), але і потоки малих часток , таких як електрони. Це протиріччя було розв’язане за допомогою принципа невизначенності Гейзенберга (1927 р.). Цей принцип можна проілюструвати ”уявним експериментом”, в якому розглядається поведінка даної системи при даних умовах. Припустимо, що електронна пушка може вистрілити один електрон, направивши його горизонтально з відомою швидкістю в абсолютно вакуумовану посудину.
