Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое числа

Модели атома Томпсона и Резерфорда.

Первая попытка создания на основе накопленных экспериментальных данных модели атома принадлежит Томсону. Согласно этой модели, атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиусом порядка 10^–10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны; суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален. Через несколько лет было доказано, что представление о непрерывно распределенном внутри атома положительном заряде ошибочно.

В развитии представлений о строении атома велико значение опытов Резерфорда по рассеянию α -частиц в веществе. На основании своих исследований Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели, вокруг положительного ядра, имеющего заряд Zе (Z - порядковый номер элемента в системе Менделеева, е - элементарный заряд), размер 10^-15-10^{-14 м и массу, практически равную массе атома, в области с линейными размерами порядка} 10^–10 м по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т. е. вокруг ядра должно вращаться Z электронов.

Согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны и вследствие этого непрерывно терять энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и, в конце концов, упадут на него. Таким образом, атом Резерфорда оказывается неустойчивой системой.

Попытки построить модель атома в рамках классической физики не привели к успеху: модель Томсона была опровергнута опытами Резерфорда, ядерная же модель оказалась неустойчивой электродинамически и противоречила опытным данным.

Размер атомного ядра очень мал (10^-12—10^{-13 см}), что приблизительно в 10⁵ раз меньше диаметра всего атома.

Атомное ядро состоит из элементарных частиц -протонов и нейтронов. Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя т_р = 1,6726×10^–27кг ≈ 1836 т_e, где т_e - масса электрона. Нейтрон (n) - нейтральная частица с массой покоя т_п = 1,6749× 10^–27кг ≈ 1839 т_e.

Протоны и нейтроны называются нуклонами. Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze (Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева, е - элементарный заряд).

Постулаты Бора.

I. Атомы имеют ряд стационарных состояний соответствующих определенным значениям энергий: Е₁ , Е₂ ... E_n. Находясь в стационарном состоянии, атом энергии не излучает, несмотря на движение электронов.

II. В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам, для которых выполняется квантовое соотношение:

m·V·r = n·h/2·p

m·V·r = L - момент импульса

h - постоянная Планка

n = 1,2,3...

III. Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или поглощается порция энергии (квант), равная разности энергий стационарных состояний, между которыми происходит переход:

e = h · v = E_m-E_n

Постулаты Бора противоречат законам классической физики. Они выражают характерную особенность микромира - квантовый характер происходящих там явлений. Выводы, основанные на постулатах Бора, объясняют закономерности в спектре атома водорода, происхождение характеристических спектров рентгеновских лучей и т.д.

Спектр - совокупность различных значений, которые может принимать данная физическая величина.

Спектр и энергетические уровни атома водорода были впервые истолкованы с помощью постулатов Бора.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний):

В атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым электроны движутся с ускорением, но излучения света при этом не происходит.

Правило квантования орбит: в стационарном состоянии атома электрон, движущийся по круговой орбите, имеет квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие условию:

Lk = mvr = kћ

m - масса электрона

v - скорость электрона

r - радиус k-й орбиты

ћ = h/2π

Втором постулат Бора (правило частот):

При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией равной разности энергий соответствующих стационарных состояний.

hv = E_n - E_m

Е_n и E_m - энергии стационарных состояний атома до и после излучения

Спектр излучения атомарного водорода состоит из отдельных спектральных линий, которые располагаются в определенном порядке. Бальмер установил, что длины волн (или частоты) этих линий могут быть представлены формулой

R = 2,07× 10¹⁶ с ^-1 - постоянная Ридберга

Учитывая, что 1/λ = v/с = w/2pс и используя предыдущую формулу, найдем

R =1,0974×10⁷ м^-1 - также называется постоянной Ридберга

На рисунке изображена схема энергетических уровней атома водорода при z = 1

При переходе электрона с более высоких энергетических уровней на уровень n = 1 возникает ультрафиолетовое излучение или излучение серии Лаймана (СЛ).

Когда электроны переходят на уровень n = 2 возникает видимое излучение или излучение серии Бальмера (СБ).

При переходе электронов с более высоких уровней на уровень n = 3 возникает инфракрасное излучение, или излучение серии Пашена (СП) и т.д.

Частоты или длины волн, возникающего при этом излучения, определяются по предыдущим двум формулам (с постоянной Ридберга) при m = 1 - для серии Лаймана, при m = 2 - для серии Бальмера и при m = 3 - для серии Пашена.

Энергия фотонов определяется по формуле, которую, для водородоподобных атомов, можно привести к виду:

Теория Бора сыграла огромную роль в создании атомной физики. В период ее развития были сделаны важные открытия. Однако в теории Бора обнаружились существенные недостатки, например, с ее помощью невозможно создать теорию более сложных, чем атом водорода, атомов. Поэтому становилось очевидным, что теория Бора представляет собой переходной этап на пути создания последовательной теории атомных и ядерных явлений. Такой последовательной теорией явилась квантовая (волновая) механика.

Дата добавления: 2014-12-16