Планетарная модель атома

Московский государственный университет Экономики Статистики Информатики

Реферат по дисциплине: «КСЕ»

на тему:

«Планетарная модель атома»

Выполнил:

Студент 3 курса

Группы ДНФ-301

Рузиев Темур

Преподаватель:

Мосолов Д.Н.

Москва 2008г.

В первой атомной теории Дальтона предполагалось, что мир состоит из определенного числа атомов — элементарных кирпичиков — с характерными свойствами, вечными и неизменными.
Эти представления решительно изменились после открытия электрона. Все атомы должны содержать электроны. Но как электроны в них расположены? Физики могли лишь философствовать, исходя из своих познаний в области классической физики, и постепенно все точки зрения сошлись на одной модели, предложенной Дж.Дж. Томсоном. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного вещества, внутрь которого вкраплены электроны (возможно, они находятся в интенсивном движении), так что атом напоминает пудинг с изюмом. Томсоновскую модель атома нельзя было непосредственно проверить, но в ее пользу свидетельствовали всевозможные аналогии.
Немецкий физик Филипп Ленард в 1903 году предложил модель «пустого» атома, внутри которого «летают» какие-то никем не обнаруженные нейтральные частицы, составленные из взаимно уравновешенных положительных и отрицательных зарядов. Ленард даже дал название для своих несуществующих частиц — динамиды.Однако единственной, право на существование которой доказывалось строгими, простыми и красивыми опытами, стала модель Резерфорда.

Огромный размах научной работы Резерфорда в Монреале — им было опубликовано как лично, так и совместно с другими учеными 66 статей, не считая книги «Радиоактивность», — принес Резерфорду славу первоклассного исследователя. Он получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд вернулся в Европу. Начался новый период его жизни.

Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных принадлежит Дж. Томсону (1903 г.). Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом примерно равным 10-10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него. Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.

Английский физик Э. Резерфорд исследовал природу этого излучения. Оказалось, что пучок радиоактивного излучения в сильном магнитном поле разделился на три части: а-, b- и у-излуче-ния. b-Лучи представляют собой поток электронов, а-лучи — ядро атома гелия, у-лучи — коротковолновое электромагнитное излучение. Явление естественной радиоактивности указывает на сложное строение атома.
В экспериментах Резерфорда по изучению внутренней структуры атома золотая фольга облучалась а-частицами, проходящими через щели в свинцовых экранах со скоростью 107 м/с. а-Частицы, испускаемые радиоактивным источником, представляют собой ядра атома гелия. После взаимодействия с атомами фольги а-частицы попадали на экраны, покрытые слоем сернистого цинка. Ударяясь об экраны, а-частицы вызывали слабые вспышки света. По количеству вспышек определялось число частиц, рассеянных фольгой на определенные углы. Подсчет показал, что большинство ос-частиц проходит фольгу беспрепятственно. Однако некоторые а-частицы (одна из 20 000) резко отклонялись от первоначального направления. Столкновение ос-частицы с электроном не может так существенно изменить ее траекторию, так как масса электрона в 7350 раз меньше массы а-частицы.
Резерфорд предположил, что отражение а-частиц обусловлено их отталкиванием положительно заряженными частицами, обладающими массами, соизмеримыми с массой а-частицы. На основании результатов подобного рода опытов Резерфорд предложил модель атома: в центре атома расположено положительно заряженное атомное ядро, вокруг которого (подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца) вращаются под действием электрических сил притяжения отрицательно заряженные электроны. Атом электронейтрален: заряд ядра равен суммарному заряду электронов. Линейный размер ядра по крайней мере в 10 000 раз меньше размера атома. Такова планетарная модель атома по Резерфорду. Что же удерживает электрон от падения на массивное ядро? Конечно, быстрое вращение вокруг него. Но в процессе вращения с ускорением в поле ядра электрон должен часть своей энергии излучать во все стороны и, постепенно тормозясь, все же упасть на ядро. Эта мысль не давала покоя авторам планетарной модели атома. Очередное препятствие на пути новой физической модели, казалось, должно было разрушить всю с таким трудом построенную и доказанную четкими опытами картину атомной структуры...
Резерфорд был уверен, что решение найдется, но он не мог предполагать, что это произойдет так скоро. Дефект планетарной модели атома исправит датский физик Нильс Бор. Бор мучительно размышлял над моделью Резерфорда и искал убедительные объяснения тому, что с очевидностью происходит в природе вопреки всем сомнениям: электроны, не падая на ядро и не улетая от него, постоянно вращаются вокруг своего ядра

В 1913 году Нильс Бор опубликовал результаты длительных размышлений и расчетов, важнейшие из которых стали с тех пор именоваться постулатами Бора: в атоме всегда существует большое число устойчивых и строго определенных орбит, по которым электрон может мчаться бесконечно долго, ибо все силы, действующие на него, оказываются уравновешенными; электрон может переходить в атоме только с одной устойчивой орбиты на другую, столь же устойчивую. Если при таком переходе электрон удаляется от ядра, то необходимо сообщить ему извне некоторое количество энергии, равное разнице в энергетическом запасе электрона на верхней и нижней орбите. Если электрон приближается к ядру, то лишнюю энергию он «сбрасывает» в виде излучения...
Вероятно, постулаты Бора заняли бы скромное место среди ряда интересных объяснений новых физических фактов, добытых Резерфор-дом, если бы не одно немаловажное обстоятельство. Бор с помощью найденных им соотношений сумел рассчитать радиусы «разрешенных» орбит для электрона в атоме водорода. Бор предположил, что величины характеризующие микромир, должны квантоваться, т.е. они могут принимать только определенные дискретные значения.
Законы микромира - квантовые законы! Эти законы в начале 20 столетия еще не были установлены наукой. Бор сформулировал их в виде трех постулатов. дополняющих ( и "спасающих") атом Резерфорда.

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

Второй постулат:
В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам, для которых выполняется квантовое соотношение: 
m·V·r=n·h/2·p (1)
где m·V·r =L - момент импульса, n=1,2,3..., h-постоянная Планка.

Третий постулат:
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·u = Em-En(2)

1.из основного стационарного состояния в возбужденное,

2.из возбужденного стационарного состояния в основное.

Постулаты Бора  противоречат законам классической физики. Они выражают характерную особенность микромира - квантовый характер происходящих там явлений. Выводы, основанные на постулатах Бора, хорошо согласуются с экспериментом. Например, объясняют закономерности в спектре атома водорода, происхождение характеристических спектров рентгеновских лучей и т.д. На рис. 3 показана часть энергетической диаграммы стационарных состояний атома водорода.

Рис. 3.

Стрелками показаны переходы атома, приводящие к излучению энергии. Видно, что спектральные линии объединяются в серии, различающиеся тем, на какой уровень с других (более высоких) происходит переход атома.

Зная разницу между энергиями электрона на этих орбитах, можно было построить кривую, описывающую спектр излучения водорода в различных возбужденных состояниях и определить, волны какой длины должен особенно охотно испускать атом водорода, если подводить к нему извне избыточную энергию, например, с помощью яркого света ртутной лампы. Эта теоретическая кривая полностью совпала со спектром излучения возбужденных атомов водорода, измеренным швейцарским ученым Я. Бальмером еще в 1885 году!

Используемая литература:

А. К. Шевелев «Структура ядер, частиц, вакуума (2003г.)

А. В. Благов «Атомы и ядра» (2004г.)

http://e-science.ru/- портал естественных наук