Строение атомов

В 1897 г. Дж. Томсоном был открыт электрон; им же в 1903 г. предложена затем физическая модель атома, известная под названием «пудинг с изюмом»: атом по Томсону представляет собой положительно заряженную сферу – пудинг, в котором роль изюминок играли отрицательно заряженные электроны, распределенные так, что вся система в целом была нейтральной. Размеры атома м.

В 1911 г. Э. Резерфорд исследовал рассеяние α-частиц (ядер атома гелия, испускаемые некоторыми веществами при радиоактивном распаде) при прохождении через тонкий металлический слой-фольгу.

Схема опыта: узкий пучок α -частиц, испускаемый радиоактивным падал на фольгу Ф. В результате рассеяния α -частицы отклонялись на разные углы и ударялись об экран Э, покрытый сернистым цинком, вызывающим сцинтилляции (вспышки света) при попадании на него α -частицы. Перемещая микроскоп М и экран можно было устанавливать различные значения угла. Весь прибор помещался в откачанную камеру, чтобы устранить рассеяние α -частиц на молекулах воздуха. Опыты показали, что некоторое количество α -частиц рассеивается на очень большие углы (почти до 180°). Объяснить это можно было наличием сильного электрического поля внутри атома, создаваемого зарядом, связанным с большой массой и сконцентрированном в малом объеме. Однако модель Томсона не предусматривала существование такого заряда.

Поэтому Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома: атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжелое положительное ядро с зарядом , имеющим размеры м, а вокруг ядра расположены Z электронов, распределенных по всему объему, занимаемому атомом. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Резерфорд разработал количественную теорию рассеяния, предположив, что взаимодействие α - частиц и ядра подчиняется закону Кулона, справедливому для точечных зарядов. В 1913 году сотрудниками Резерфорда была произведена проверка формулы, путем подсчета сцинтилляций, наблюдавшихся под разными углами ϑ за одинаковые промежутки времени. Полученные результаты соответствовали формуле, полученной Резерфордом. Из формулы Резерфорда следует, что число α - частиц, рассеянных за единицу времени внутрь единичного телесного угла, равно:

– формула Резерфорда, где Е – энергия частицы, – элементарный заряд, ϑ – угол рассеяния α - частицы, n – плотность потока α -частиц, налетающих на ядро – единица измерения [ n ] = [ м ^-2 с ^-1 ]. Для Е = const величина , что было экспериментально подтверждено в опытах Гейгера и Марсдена.

Исходя из записанной формулы, удаётся получить значение числа Z элементарных положительных зарядов в ядре атомов рассеивающей фольги. Согласно опытам это число равно порядковому номеру Z элемента в периодической таблице Менделеева.

По известному заряду ядра Ze можно определить верхний предел размеров ядра. Для оценки рассмотрим центральный удар α -частицы о ядро, который соответствует углу рассеяния . Из закона сохранения энергии следует, что в момент наибольшего сближения -частицы с ядром ее кинетическая энергия полностью перейдет в потенциальную энергию их взаимодействия:

.

Например, для серебра Z =47, , . Тогда радиус ядра в атоме серебра:

.

Электроны в атоме должны двигаться около ядра по орбитам, зависящим от энергии электронов. Ядерная модель Резерфорда очень напоминает солнечную систему. Поэтому данную модель часто называют планетарной. Атому свойственная исключительная устойчивость, поэтому орбиты электронов должны быть стационарными.

Однако, с классической точки зрения при движении электрона по орбите с радиусом его скорость для атома водорода: , а центростремительное ускорение . При этом электрон должен излучать электромагнитные волны (при этом терять свою кинетическую энергию и соответственно скорость): то есть электрон должен двигаться по спирали, приближаясь к ядру. В итоге электрон должен упасть на ядро. Но реально этого явления не наблюдается. Поэтому невозможность объяснения такого факта явилось недостатком планетарной модели атома Резерфорда.

Вместе с этим, ввиду того, что при приближении электрона к ядру его центростремительное ускорение и частота вращения непрерывно изменяются, спектр излучения должен быть непрерывным. Однако экспериментально обнаружено наличие линейчатых спектров атома водорода.

Дата добавления: 2013-12-13