Строение атома. Есть ли предел таблицы Менделеева?
угол рассеяния ф.
1 марта 1911 г. Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере
доклад «Рассеяние а- и (-лучей и строение атома». В докладе он говорил:
«Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой
атом, который состоит из центрального электрического заряда,
сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим
распределением противоположного электричества равной величины. При таком
устройстве атома а- и (-частицы, когда они проходят на близком расстоянии
от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого
отклонения мала».
Резерфорд рассчитал вероятность такого отклонения и показал, что она
пропорциональна числу атомов п в единице рассеивающего материала, толщине
рассеивающей пластинки и величине b2, выражаемой следующей формулой:
[pic]
где Ne— заряд в центре атома, Е—заряд отклоняемой частицы, т—ее масса,
и—ее скорость. Кроме того, эта вероятность зависит от угла рассеяния ф, так
что число рассеянных частиц на единицу площади пропорционально cosec4
(Ф/2).
Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного
центра, который Резерфорд положил равным ± Ne. Заряд оказался
пропорциональным атомному весу.
В 1913 г. Гейгер и Марсден предприняли новую экспериментальную проверку
формулы Резерфорда, подсчитывая рассеяние частиц по производимым ими
сцинтилляционным вспышкам. Из этих исследований и возникло представление о
ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и
обладающей положительным зарядом. При этом число элементарных зарядов
оказалось пропорциональным атомному весу.
В 1913 г. Ван ден Брук показал, что заряд ядра совпадает с номером
элемента в таблице Менделеева. В том же1913 г. Ф. Содди и К. Фаянс пришли
закону смещения Содди—Фаянса, ее гласно которому при а-распаде
радиоактивный продукт смещается в менделеевской таблице на два номера выше
а при (-распаде—на номер ниже. К этому же времени Содди пришел
представлению об изотопах как разновидностях одного и того же элемент ядра
атомов которых имеют одинаковый заряд, но разные массы.
В богатом событиям 1913 г. были опубликованы три знаменитые статьи Бора
«О строении атомов и молекул», открывшие путь к атомной квантовой механике.
Томас Рис Вильсон (1869-1959) изобрел замечательный прибор, известный
ныне под названием «камера Вильсона». Этот прибор позволяет видеть
заряженную частицу по оставляемому ею туманному следу.
Позднее ученик и сотрудник Резерфорда Блэккет (1897—1974) получил
вильсоновскую фотографию расщепления ядра азота а-частицей, первой ядерной
реакции, открытой Резерфордом.
В этом же году Бор, имевший возможность поработать с автором первой
модели атома, а затем с автором планетарной модели, на основе последней
создает свою теорию атома Резерфорда-Бора.
Знаменитая статья Бора, в которой были заключены основы этой теории,
начиналась с указания на модели Резерфорда и Томсона и обсуждения их
особенностей и различий.
Резерфорд сразу понял революционный характер идей Бора и высказал
критические замечания по самым фундаментальным пунктам теории Бора. После
длительных дискуссий статья Бора и две его последующие статьи были
опубликованы. Однако окончательный ответ на возражения Резерфорда был дан
только созданием квантовой механики.
В 1915 г. Бор опубликовал работы «О сериальном спектре водорода и
строении атома» и «Спектр водорода и гелия», «О квантовой теории излучения
в структуре атома». Он развил исследования, выполненные им в Манчестере в
августе 1912 г., и опубликовал их под названием «Теория торможения
заряженных частиц при их прохождении через вещество».
В декабре 1915 и январе 1916 г. Арнольд Зоммерфельд (1868—1951) развил
теорию Бора, рассмотрев движение электрона по эллиптическим орбитам и
обобщив правила квантования Бора. Зоммерфельд дал также теорию тонкой
структуры спектральных линий, введя релятивистское изменение массы со
скоростью. В его расчеты вошла безразмерная универсальная постоянная тонкой
структуры:
[pic]
Теория атома после открытия Зоммерфельда стала называться теорией Бора —
Зоммерфельда.
Продолжая развивать свои идеи, Бор сформулировал принцип соответствия
(1918), означавший шаг вперед в ответе на вопросы, поставленные
Резерфордом.
В 1922 г. Бор получил Нобелевскую премию по физике. В нобелевском докладе
он развернул картину с стояния атомной теории к этому времени. Одним из
наиболее существенных успехов теории было нахождения. ключа к периодической
системе элементов, которая объяснялась наличие электронных оболочек,
окружающих ядра атомов.
В 1925 г. работой Гейзенберга началось создание квантовой механики. В том
же году Уленбек и Гаудсмит, работавшие у Эренфеста, открыли спин электрона,
а Паули открыл принцип, носящий ныне его имя. После открытия Гейзенбергом в
1927 г. принципа неопределенности Бор выдвинул в качестве основной
теоретической идеи квантовой теории принцип дополнительности.
В 1936 г. Бор выступил со статьей «Захват нейтрона и строение ядра», в
которой предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром.
Ядерной физике была посвящена также работа 1937 г. «О превращении атомных
ядер, вызванных столкновением с материальными частицами».
В конце 1938—начале 1939 г. было открыто деление урана.
Atom бора
Бор, как и Томсон до него, ищет такое расположение электронов в атоме,
которое объяснило бы его физические и химические свойства. Бор уже знает о
модели Резерфорда и берет ее за основу. Ему известно также, что заряд ядра
и число электронов в нем, равное числу единиц заряда, определяется местом
элемента в периодической системе элементов Менделеева. Таким образом, это
важный шаг в понимании физико-химических свойств элемента. Но остаются
непонятными две вещи: необычайная устойчивость атомов, несовместимая с
представлением о движении электронов по замкнутым орбитам, и происхождение
их спектров, состоящих из вполне определенных линий. Такая определенность
спектра, его ярко выраженная химическая индивидуальность, очевидно, как-то
связана со структурой атома.
Устойчивость атома в целом противоречит законам электродинамики, согласно
которым электроны, совершая периодические движения, должны непрерывно
излучать энергию и, теряя ее, «падать» на ядро. К тому же и характер
движения электрона, объясняемый законами электродинамики, не может
приводить к таким характерным линейчатым спектрам, которые наблюдаются на
самом деле.
Линии спектра группируются в серии, они сгущаются в коротковолновом
«хвосте» серии, частоты линий соответствующих серий подчинены странным
арифметическим законам.
Так, Иоганн Бальмер в 1885 г. нашел, что четыре линии водорода На, Н(,
Н(, H( имеют длины волн, которые могут быть выведены из одной формулы:
[pic]
Позже было найдено еще два десятка линий в ультрафиолетовой части, и их
длины волн также укладывались в формулу Бальмера.
Иоганн Ридберг в 1889-1900 гг. нашел, что и линии спектров щелочных
металлов могут быть распределены по сериям. Частоты линий каждой серии
могут быть представлены в виде разности двух членов—термов. Так, для
главной серии
[pic]
где R — некоторое постоянное число, получившее название постоянной
Ридберга, s и р — дробные поправки, меняющиеся от серии к серии.
«Основным результатом тщательного анализа видимой серии линейчатых
спектров и их взаимоотношений, — писал Бор,—было установление того факта,
что частота v каждой линии спектра данного элемента может быть представлена
с необыкновенной точностью формулой v =T’—T”, где T' и T" — какие-то два
члена из множества спектральных термов T, характеризующих элемент».
Бору удалось найти объяснение этого основного закона спектроскопии и
вычислить постоянную Ридберга из таких фундаментальных величин, как заряд и
масса электрона, скорость света и постоянная Планка. Но для этого ему
пришлось ввести в физику атома представления о стационарных состояниях
атомов, находясь в которых электрон не излучает, хотя и совершает
периодическое движение по круговой орбите.
Для таких состояний момент импульса равен кратному от h/2(. При переходе
с одной орбиты на другую электрон излучает и поглощает энергию, равную
кванту. В заключительных замечаниях к трем своим статьям «О строении атомов
и молекул» Бор формулирует свои основные гипотезы следующим образом:
«I. Испускание (или поглощение) энергии происходит не непрерывно, как это
принимается в обычной электродинамике, а только при переходе системы из
одного «стационарного» состояния в другое.
2. Динамическое равновесие системы в стационарных состояниях определяется
обычными законами механики, тогда как для перехода системы между различными
стационарными состояниями эти законы не действительны.
3. Испускаемое при переходе системы из одного стационарного состояния в
другое излучение монохроматично, и соотношение между его частотой v и общим
количеством излученной энергии Е дается равенством E=hv, где h — постоянная
Планка.
4. Различные стационарные состояния простой системы, состоящей из
| | скачать работу |
Строение атома. Есть ли предел таблицы Менделеева? |