Строение атома. Есть ли предел таблицы Менделеева? (стр. 5 из 8)
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:
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 b-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:
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.
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, Нb, Нg, Hs имеют длины волн, которые могут быть выведены из одной формулы:
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
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/2p. 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 вращающегося вокруг положительного ядра электрона, определяются из условия, что отношение между общей энергией, испущенной при образовании данной конфигурации, и числом оборотов электрона является целым кратным h/2p. Предположение о том, что орбита электрона круговая, равнозначно требованию, что момент им пульса вращающегося вокруг ядра электрона был бы целым кратным h/2p.
5. «Основное» состояние любой атомной системы, т. е. состояние, при котором излученная энергия максимальна, определяется из условия, чтобы момент импульса каждого электрона относительно центра его орбиты равнялся h/2p».
Далее Бор пишет: «Было показано, что при этих предположениях с помощью модели атома Резерфорда можно объяснить законы Бальмера и Ридберга, связывающие частоты различных линий в линейчатом спектре».
Именно Бор получил для спектра водорода формулу: