Трудности Классического объяснения ядерной модели атома

опытов по рассеянию α-частиц тонкими металлическими фольгами и теоретических расчетов

Резерфорда. По этой модели в центре атома — его ядре, имеющем линейные размеры 10-15 - 10-14 м,— сосредоточен весь положительный заряд атома и практически вся его масса. Вокруг ядра, в области с размерами ~10-10 м, по орбитам движутся электроны, масса которых составляет лишь весьма малую долю от массы ядра. Вспомним, что масса электрона в 1836,5 раза меньше массы протона — ядра атома водорода. Ядерная модель атома внешне напоминает Солнечную систему: в центре системы находится «солнце» — ядро, а вокруг него по орбитам движутся «планеты» — электроны. По этой причине ядерную модель атома иногда называют планетарной.

бы они не двигались, то в результате кулоновских сил притяжения

к ядру они сразу же упали бы на него. Атому, напротив, свойственна исключительная устойчивость. Об этом, в частности, свидетельствуют оптические спектры атомов, отличающиеся определенным для всех атомов данного химического элемента расположением спектральных линий. Устойчивость атома невозможно понять, если ядерную модель объяснять на основе классических законов механики, электричества и оптики.

Рассмотрим, например, ядерную модель простейшего атома — атома водорода, который состоит из одного электрона и ядра — протон). Для простоты будем считать, что электрон движется вокруг ядра по круговой орбите. Заметим, прежде всего, что, употребляя слово «орбита», следует помнить, что волновые свойства электрона и соотношения неопределенностей приводят к тому, что для электрона в атоме представление об орбите как о траектории движения не выдерживает критики. Этот вопрос

представлением о геометрическом месте точек, в которых электрон в атоме

может быть обнаружен с наибольшей вероятностью. В дальнейшем, употребляя термин «орбита» электрона в атоме, мы будем иметь в виду этот его смысл.

Скорость электрона в атоме водорода на круговой орбите с радиусом r ≈ 10-10 м можно подсчитать, приняв во внимание, что центростремительной силой, удерживающей электрон на ор- бите, является кулоновская сила его притяжения к ядру:

Из этого уравнения, подставив численные значения массы т элект-рона, его заряда е и электрической постоянной ε0, получим, что: υ ≈«106 м/с. При этом центростремительное ускорение электрона a= υ2/r по порядку величины составляет 1022 м/с2.

таково, что электрон в атоме должен вести себя как вибратор,

колеблющийся с большой частотой. Как известно,; такой вибратор должен излучать электромагнитные волны. Излучение электромагнитных волн должно происходить непрерывно и связано с непрерывной потерей электроном его энергии.

Этот вывод с неизбежностью следует из применения к электрону в ядерной модели классических законов. Но отсюда, далее, следует, что атом не может быть устойчив: электрон, непрерывно теряющий энергию на излучение, не может удержаться на круговой траектории. Он должен по спирали приближаться к ядру и через время τ ≈ 10-10 с упасть на него. С другой стороны, частота, с ко-; торой электрон движется вокруг ядра, должна непрерывно изменяться. А из этого следует, что непрерывно должна изменяться частота электромагнитных волн, излучаемых электроном. Другими словами, атом водорода должен давать излучение с непрерывным спектром частот. Линейчатого спектра у атома быть не должно.

и оптики привело к полному противоречию с экспериментальными фактами. Из теории

следовало, что: а) атом должен быть неустойчив, ввиду непрерывной потери электроном энергии на излучение электромагнитных волн; б) спектральных линий существовать не должно; должен быть только непрерывный спектр.
В действительности оказывается, что:
а) атом является исключительно устойчивой системой;
б) атом излучает электромагнитные волны лишь при определенных условиях;
в) атом испускает свет, обладающий линейчатым спектром, связанным со строением и свойствами его электронной оболочки.
Полное несоответствие выводов, основанных на классическом истолковании ядерной модели атома, и опытных фактов вызвало сомнения в возможности применять к электронам в атомах законы классической физики и привело к созданию современной квантовой механики.

состоящие из отдельных спектральных линий. Когда свет проходит через газы,

возникают линейчатые спектры поглощения — каждый атом поглощает те спектральные линии, которые он сам может испускать. Первым был изучен спектр атома водорода. Бальмер в 1885 г. установил, что длины волн известных в то время девяти
линий спектра водорода могут быть вычислены по формуле 28.3

(28.3)

Формулу (28.3) Ридберг предложил записывать в виде

(28.4)

Величина, обратная длине волны, v* = 1/λ, называется волновым числом

и показывает, сколько длин волн укладывается на единичной длине *). Формула Бальмера - Ридберга (28.4) впервые указала на особую роль целых чисел в спектральных закономерностях и имела огромное значение в развитии учения о строении атомов.

В настоящее время известно большое число спектральных линий водорода, длины волн которых с большой степенью точности удовлетворяют формуле Бальмера - Ридберга. Из (27.4) видно, что спектральные линии, отличающиеся различными значениями п, образуют группу, или серию, линий, называемую серией Бальмера. С увеличением п спектральные линии серии сближаются друг с другом. Граница серии Бальмера определяется длиной волны λгран, при которой п →∞: λгран = 4/R = 364,5068 нм.

были обнаружены другие серии спектральных линий, расположенных в невидимых частях

спектра. В инфракрасной части спектра водорода была обнаружена группа спектральных линий, называемая серией Пашена. Волновые числа спектральных линий этой серии укладывались в формулу

В далекой инфракрасной области были обнаружены еще три серии спектральных линий водорода: серия Брэкета:

далекой ультрафиолетовой области спектра, была обнаружена серия Лаймана:
Каждая из этих

серий характеризуется сгущением спектральных линии при возрастании чисел п и своей граничной частотой или длиной волны. На рис. 28.3 изображены серии спектра водорода.

шкалы слева выяснится дальше.
Все частоты (или волновые числа) всех спектральных

линий водорода можно выразить единой формулой:

2 и т. д. Для серии Лаймана т = 1,

для серии Бальмера m = 2, для серии Пашена m = 3 и т. д. При возрастании чисел п частоты всех серий сходятся к соответствующим границам. Граничные волновые числа ν*rpaн серий водородного спектра равны

ν*rpaн = R/m2 .

Формула (28.5) подтвердилась на опыте с большой, спектроскопической точностью. В ней ярко выступила особая роль целых чисел в спектроскопических закономерностях, осмысленная до конца лишь в квантовой механике. Ранее мы видели, что в квантовой механике вскрывается особая роль целых чисел — квантовых чисел п, определяющих дискретные значения энергии электронов в потенциальном «ящике» и осцилляторе. Забегая вперед, укажем, что числа т и п в формуле (28.5) также являются квантовыми числами,

(28.5)

для атома водорода до строгого решения задачи об энергии электрона

в атоме водорода в квантовой механике физика прошла огромный путь, исторически очень короткий, но полный драматизма и выдающихся открытий. Этот путь, как и вся физика первой половины двадцатого века, навсегда будет связан с именем великого физика Нильса Бора.

Постулаты Бора

В 1913 г. Бор создал первую неклассическую теорию атома. В основе этой теории лежала идея связать в единое целое три результата, полученные в физике к тому времени:
а) эмпирические закономерности линейчатого спектра атома водорода, выраженные в формуле Бальмера - Ридберга;
б) ядерную модель атома Резерфорда, не допускающую классического истолкования;
в) квантовый характер излучения и поглощения света.