Нильс Бор
со
строением атомов и молекул. Нерст рассмотрел молекулярные спектры в
предположении, что имеет место квантование вращения молекул. Бьеррум,
развил идею Нернста, провел расчет спектра испускания двухатомной
молекулы, полагая, что при ее вращении с частотой [pic] вокруг линии,
соединяющей оба атома, энергия вращения кратна [pic] ([pic] -
постоянная Планка).
Никольсон воспользовался моделью, предложенной Нагаока.
Согласно этой модели атом состоит из центральной положительно заряженной
частицы, вокруг которой с общей угловой скоростью вращаются кольца,
заполненные электронами. Спектры объяснялись колебаниями колец в
целом. В дальнейшем Бор указал на основные трудности и недостатки этой
теории.
У Никольсона соотношения между частотами, соответствующие опреде-
ленным линиям, сравнимы с соотношениями между частотами, соответству-
ющими различного рода колебаниями электронного кольца. Он в одной из
своих работ, стремясь объяснить наблюденные им спектры астрономических
объектов, предположил, что момент импульса электронных колец кратен
[pic]. К проблеме устойчивости Никольсон не подходил.
Бор увлекся теоретическими проблемами, связанными с моделью Резер-
форда, весной 1912 г., сразу же после приезда в Манчестер. Его
привлекла возможность отчетливого разделения тех физических свойств
элементов, которые определялись непосредственно ядром, от тех, которые
вызваны распределением электронов в атоме.
К середине 1912 г. была уже готова значительная часть работы
"О строении атомов и молекул", но Бор продолжал исследовать роль кванта
действия в электронном строении атома в связи с проблемами излучения.
Трудности возникали из-за вопроса устойчивости атома. Ранней весной 1913
г. он нашел решение, когда вовлек в рассмотрение простейшие спектральные
закономерности.
- 16 -
4. ТЕОРИЯ АТОМА БОРА.
В 1913 г. в английском журнале "Philosophikal Magazine" была
опубликована статья Н. Бора "О строении атомов и молекул". Статья
состояла из трех частей. Первая часть озаглавлена "Связывание электронов
положительным ядром", вторая - "Системы, содержащие только одно
ядро", третья - "Системы с несколькими ядрами".
В статье излагалась новая теория строения атома. "Введение"
к статье Бор начал с краткой характеристики модели атома Резерфорда,
согласно которой атом состоит положительно заряженного ядра и системы
окружающих его электронов. Силами притяжения электроны удерживаются на
определенных расстояниях от ядра. Положительный заряд ядра и общий
отрицательный заряд электронов равны между собой. Линейные размеры ядра
очень малы по сравнению с линейными размерами атома в целом. Основная
часть массы атома заключена в ядре. Бор полностью принял модель атома,
предложенную Резерфордом. Он считал, что вокруг ядра атома водорода
вращается только один электрон и заряд ядра Е = е; в атоме гелия
вращаются два электрона, в атоме лития - три электрона и т.д.
До Резерфорда в физике господствовала модель атома Дж. Дж.
Томсона, согласно которой атом состоит из шара, равномерно заполненного
положи- тельным электрическим зарядом. В этом шаре электроны движутся
по окружностям. Основное различие между моделями Томсона и Резерфорда
Бор усматривал в том, что в модели Томсона силы, действующие на
электроны, допускают такие конфигурации и движения, которое обеспечивают
устойчивое равновесие системы, в то время как для модели Резерфорда,
по-видимому, такие конфигурации не существуют. Это различие проявляется в
том, что среди величин характеризующих атом Томсона, имеется одна
величина - радиус положительно заряженного шара - с размерностью
длины, в то время как среди величин, характеризующих атом Резерфорда,
такая длина отсутствует.
Теория теплового излучения Планка и прямые подтверждения существо-
вания элементарного кванта действия в опытах по теплоемкости, фотоэффекту
и других, побудили Бора усомниться в применимости классической
электродинамики к атомным системам. Бор поставил перед собой задачу
ввести в законы движения электронов элементарный квант действия. Атом
Резерфорда и квант действия Планка - исходные моменты теории атома
Бора.
В первой части статьи Бора на основе теории Планка
рассматривается механизм связывания электрона с ядром. На примере
простейшей системы, состоящей из положительно заряженного ядра и
электрона, движущегося по замкнутой орбите вокруг ядра, показано, что
при излучении, которое должно иметь место по законам электродинамики,
электрон не может двигаться по стационарным орбитам. В результате
излучения энергия будет непрерывно убы-
- 17 -
вать. Электрон будет приближаться к ядру, описывая все меньшие
орбиты. Частота его вращения вокруг ядра будет все увеличиваться.
Поведение такой системы, вытекающее из основ классической
электродинамики, отличается от того, что имеет место в
действительности. Атомы длительное время имеют определенные размеры
и частоты. "Далее, - пишет Бор, - представляется, что если рассмотреть
какой - либо молекулярный процесс, то после излучения определенного
количества энергии, характерного для изучаемой системы, эта система
всегда вновь окажется в состоянии устойчивого равновесия, в котором
расстояния между частицами будут того же порядка величины, что и до
процесса".
Бор ясно показал, что следствия классической электродинамики
не соответствуют тому, что мы наблюдаем в атомных системах. Высший
критерий физики есть опыт. Поскольку опыт в области атомных явлений
нельзя объяснить представлениями и теорией классической физики, Бор
обращается к теории излучения Планка. Эта теория утверждает, что
излучение энергии атомной системы происходит не непрерывно, а
определенными раздельными порциями. Количество испускаемой атомным
излучателем энергии при каждом процессе излучения равно [pic], где [pic]-
целое число, h - универсальная постоянная Планка, [pic] - частота.
Бор допускает, что электрон испускает монохроматическое излучение с
частотой [pic], равной половине частоты обращения электрона по своей
окончательной орбите.
Энергия излучения :
W =[pic],
где:
[pic],
W - среднее значение кинетической энергии электрона за одно
полное обращение, e и E - заряды электрона и ядра, m - масса электрона.
Подставив значение [pic], получим:
W =[pic],
Длина большой полуоси орбиты:
- 18 -
2а [pic],
Придав [pic] разные значения, мы получим ряд значений W, [pic],
и а, соответствующих ряду конфигураций системы. В этих состояниях атом не
излучает. W принимает максимальное значение при [pic]=1, подставив
значения E = e = 4,7 * 10-10 , e/m = 5,31 * 1017 , h = 6,54 * 10-27
,имеем 2а = 1,1 * 10-8 см, [pic] = 6,2 * 1015 с-1, W/e = 13 в. Эти
величины того же порядка, что и линейные размеры атома, оптические
частоты и ионизационные потенциалы.
Бор указывает, какова предыстория применения теории Планка к
атомным системам: "На всеобщее значение теории Планка для обсуждения
поведения атомных систем впервые указал Эйнштейн. Соображения
Эйнштейна, были затем развиты и применены к различным явлениям в
особенности Штарком, Нернстом и Зоммерфельдом. Соответствие
наблюдаемых частот и размеров атома и вычисленных на основе соображений,
приведенных выше, было предметом многочисленных обсуждений". С точки
зрения теории Планка Дж. Никольсон рассматривал системы, у которых силы
взаимодействия между частицами обратно пропорциональны квадрату
расстояния между ними. Однако его теория не в состоянии была объяснить
известные спектральные закономерности Ритца и Бальмера.
Бор исходит из двух следующих допущений:
1. Динамическое равновесие системы в стационарных состояниях
можно рассматривать с помощью обычной механики, тогда как переход системы
из одного стационарного состояния в другое нельзя трактовать на его
основе.
2. Указанный переход сопровождается испусканием
монохроматического излучения, для которого соотношения между частотой и
количеством выделенной энергии именно такое, которое дает теория Планка.
Полагая в атоме водорода заряд ядра равным заряду электрона E =
e, получают выражение для общего количества энергии, испускаемой при
образовании стационарного состояния:
Wr [pic].
При переходе из состояния, соответствующего [pic], в состояние,
соответствующее [pic], испускается количество энергии
Wr2 - Wr1 = [pic],
следовательно:
- 19 -
[pic].
Если положить [pic] = 2 и варьировать [pic], то получают серию
Бальмера. Если положить [pic] = 3, получают серию которую наблюдал в
1908 г. Пашен в инфракрасной области. Бор отмечает, что если [pic] = 1
и [pic] = 4, 5,..., то получают в крайней ультрафиолетовой и
соответственно в крайней инфракрасной области серии, которые еще никем
не наблюдались.
| |  скачать работу |
Нильс Бор |
