 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
88
Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое число частиц (примерно одна из
нескольких тысяч), которые отклоняются очень сильно. Некоторые частицы отбрасываются назад,
как если бы на пути встретилась непроницаемая преграда. Это не электроны – их масса гораздо
меньше массы альфа-частиц. Отклонение может происходить при столкновении с
положительными частицами, масса которых того же порядка, что и масса альфа-частиц. Исходя из
этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему строения атома.
В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам
вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается
притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных
расстояниях от ядра. Поскольку масса электрона ничтожна мала, то почти вся масса атома
сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, число которых сравнительно невелико,
приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой.
Предложенная Резерфордом схема строения атома или, как обыкновенно говорят, планетарная
модель атома, легко объясняет явления отклонения альфа-частиц. Действительно, размеры ядра и
электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются
орбитами наиболее удаленных от ядра электронов, поэтому большинство альфа-частиц пролетает
через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда альфа-частица очень близко
подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального
пути. Таким образом, изучение рассеяния альфа-частиц положило начало ядерной теории атома.
4.2. Постулаты Бора
Планетарная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию альфа-частиц
вещества, однако возникли принципиальные трудности при обосновании устойчивости атомов.
Первая попытка построить качественно новую – квантовую – теорию атома была предпринята в
1913 г. Нильсом Бором. Он поставил цель связать в единое целое эмпирические закономерности
линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и
поглощения света. В основу своей теории Бор положил ядерную модель Резерфорда. Он
предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам. Движение по
окружности даже с постоянной скоростью обладает ускорением. Такое ускоренное движение
заряда эквивалентно переменному току, который создает в пространстве переменное
электромагнитное поле. На создание этого поля расходуется энергия. Энергия поля может
создаваться за счет энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром. В результате
электрон должен двигаться по спирали и упасть на ядро. Однако опыт показывает, что атомы –
очень устойчивые образования. Отсюда следует вывод, что результаты классической
электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла, неприменимы к внутриатомным
процессам. Необходимо найти новые закономерности. В основу своей теории атома Бор положил
следующие постулаты.
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
движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается
излучением электромагнитных волн.
Этот постулат находится в противоречии с классической теорией. В стационарном состоянии
атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения
момента импульса.
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной
орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией
h
= E
n
- E
m
равной разности энергий соответствующих стационарных состояний (Е
n
и Е
m
–
соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения/поглощения).
Переходу электрона со стационарной орбиты под номером m на стационарную орбиту под
номером n соответствует переход атома из состояния с энергией Е
m
в состояние с энергией Е
n
(рис. 4.1).