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).
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, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98
