nekrasovI (1114433), страница 25
Текст из файла (страница 25)
П1-21. тавтомп Оеонвн. ~" ~ Н~~Я топо пям ии ппм оооо аппо еооо пзооЯ Рвс 111-21. Вадвмыа спектр водорода (серва Бал»мера). Таким образом, либо планетарная модель, либо классическая теория должна была быть неправильна. На самом деле в серьезных поправках нуждались и та, н другая. Еще до'появления планетарной модели атома был отвергнут тезис классической электромагнитной теории света о непрерывности излучения.
«Тезису, гласящему, что ск а чко в н е бывает, а есть только непрерывность, с полным правом можно противопоставить антитезис, по смыслу которого в действительности изменение всегда совершается скачками, ио только ряд мелких н быстро следующих один за другим скачков сливается для нас в один «непрерывный процесс» (Плеханов). Таким антитезисом явилась кванювпя теория (Планк, 1900 г.). Согласно этой теории, энергия излучается не непрерывно, а определенными порцнямп, являющимися кратными некоторого «кванта действия» (й). Величина нзлучаемого кванта энергии тем больше, чем больше частота колебаний излучения, т. е. чем меньше длнна его волны (11 $2). Например„фиолетовые лучи имеют ббльшую энергию, чем красные. В электромагнитном спектре (рнс.
1П-12) наибольшей энергией обладают у-лучн, наименьшей — радиоволны. Величину кванта энергии (Е в эргах е) для любого электромагнитного излучения можно вычислить из соотношения Е = Ь», где й — квант действия (6,62 10мзрг сок) и» вЂ” частота колебаний рассматриваемого излучения. Квантовая теория подтверждена обширным опытным материалом н является в настоящее время общепринятой.' а Исходя из планетарных представлений н квантовой теории, Бор в 1913 г.
построил модель атома водорода, не заключающую в себе тех противоречий, о которых говорилось выше. Модель эта была разработана иа основе следующих положений. !. Электрон может вращаться вокруг ядра не по всевозможным орбитам, а лишь по не которы м определенным. На таких «дозволенных» орбитах он вращается, и е излучая энергии. 2. Ближайшая к ядру орбита соответствует наиболее устойчивому («нормальному») состоянию атома. Прн сообщет1нн последнему энергия извне электрон может перейти на одну нз более удаленных орбит, причем запас его энергнн будет тем больше, чем дальше от ядра ' Величава эрга близка к эвергвв надеина 1 ме с высоты 1 см.
б 4. Теория водородною атома о рбита, на которую он переходит. Иначе это выражают, говоря, что такой электрон находится на более высоком э н е р г е т и ч е с к о м у р о в не. Атом, содержащий электрон на одном из высоких энергетических уровней, в отличие от нормального, называют «возбужден- и ы м». Как показывает опыт, обратный переход из возбужденного состояния в нормальное осуществляется весьма быстро: средняя «продолжительность жизни» большинства возбужденных атомов оценивается величинами порядка 10 е сек.
3. Поглощение н излучение атомом энергии имеет место только п р и п е р е с к о к е электро- 0 на с одной орбиты на другую. При этом разность энергий начального (Е„) и конечного (Е,) состояний воспринимается или отдается в виде кванта лучистой энергии (фотона), отвечающего излучению с частотой колебаний, определяемой рис. !!1-гг. вояможиые соотношением йч ń— Е„. вяектроииые орбиты атот Изложенные представления позволили вычи- "в 'о"оР' ' - ВОРУ.
слить радиусы различных «дозволенных» квантовыми условиями орбит электрона в атоме водорода. Оказалось, что они относятся друг к другу как !':2'.3'.4х: ...:пт. Величина л была названа главным квантовым числом. Как видно из приведенного выше, и может принимать различные значения, соответствующие натуральному ряду целых чисел. Радиус ближайшей к ядру орбиты (и = !) оказался для водорода равным 0,53 А.
Электрон вращается по ней со скоростью около 2200 км/сек (средняя скорость вращения Земли вокруг Солнца составляет 30 км/сек). На рис. 1П-22 дана схема яр возможных для атома водорода орбит, 'я г причем приведены лишь первые четы- вв л ~ ре. Скорость вращения электрона на ! в ь второй из них вдвое меньше, чем на ьЬ первой, на третьей — втрое меньше )ььч ит.де4 в Работа, которую необходимо затра- тить для вырывания электрона водоф'ь о родного атома с той или иной орби. х' фйч ты, обратно пропорциональна квадра- эот',,Ф ту ее главного квантового числа.
Па- бе этому, например, вырвать электрон с —:Ф" беезФ, тРетьей оРбиты в девЯть Раз легче, чем Лвяятрааывявмв~ с первой. серия Вычисленные частоты излучений, Ри~ 1!1-Ж Схема ироиехожхеиии ВОЗНикаЮщих ПРи пеРескоках ЭлектРО- водородиого спектра на с одних орбит на другие, оказались совпадающими с частотамн линий наблюдаемого на опыте водородного спектра. Как видно нз рис.
П1-23, перескокам с различных более удаленных от ядра орбит на отвечающую и = 1 соответствуют линии серии, лежащей в ультрафиолетовой области, перескокам на орбиту с л = 2 — линии серии Бальмера (рис. Ш-21), а перескокам на орбиты с и= 3, 4 и 5 — линии трех серий, лежащих в инфракрасной области. Две последние серии были обнаружены экслериментально уже после разработки теории водородного атома и именно иа основе ее предсказаний.в ' 80 Пг. Основные иреостаелении о анртреннед строении вещество Если сообшить водородному атому достаточную энергию, то происходит его ион ива ци я — распад на электрон и протон. Энергия, которую нужно для этого затратить, отвечает и = оо (рис.
П1-24) и называется э н е р г и е й и о н и з а ц и и (/). Она определена из спектра н для нормального состояния атома водорода составляет 313,6 ккал на грамм-атом; Н+ 313,6 ккал = Н++е Л -Ю г 3 к» и-и Рис. 111-24. Уровни энергии атома водорода (кколуг-ото.е). По соотношению I = 313,6/пз энергия ионизации может быть рассчитана и для возбужденных состояний атома водорода.т Дальнейшее развитие теории водородного атома было дано Зоммерфельдом (1916 г.), показавшим, что кроме круговых орбит электрон может двигаться и по эллиптическим (с ядром в одном из фокусов эллипса), причем почти одинаковому уровню энергии соответствует столько возможных типов орбит, сколько единиц в главном квантовом числе. Последнее определяет размер большой полуоси данного семейства эллипсов (в частном случае круга — его радиус).
Величина малой полуоси определяется «и о б о ч н ы м» квантовым числом (й), которое также принимает значения последовательных целых чисел, но не может быть боль. ше главного. Для большой полуоси эллипса действительно соотношение а = а'г, а для малой Ь = пйг, где с — радиус орбиты при норкзальном состоянии атома (0,53 А). Например, для главного квантового числа 3 возможны три типа эллипсов, характеризуюшиеся обозначениями Зь Зз и Зз, которые показывают, что большая полуось относится к малой соответственно как 3: 1, 3: 2 и 3: 3, В последнем случае имеем частный вид эллипса — круг, который один только и рассматривался первоначальной теорией.
Модель возможных электронных орбит атома водорода по Зоммерфельду показана на рнс. П1-25. Отвечаюшие каждой из них энергетические уровни (поду р о в н и) схематически сопоставлены на рис. уг П1-26 (Б) с уровнями, соответствую- шими только круговым орбитам (А). Произведенное Зоммерфельдом уточг 4т пение модели водородного атома по- 4 лг зволнло объяснить тонкую структуру спектральных линий. т На рис.
1!1-26 видно, что наинизшие подуровни отвечают наиболее вытвиУтым эллин н Р ' Рис 1В-2В. Схема возможных э.ек- Именно они и будут поэтому в первую тронных орбит атома водорода по очередь заполняться электронами при Зоммерфедьду. построении нового слоя в м н о г о э л ектрон н ы х атомах. Сами электронные слои (т. е. совокупности электронов с одинаковым значением главного квантового числа) в порядке удаления от ядра часто обозначаются буквами К, с, М, )т', О, Р, 1;), У тяжелых атомов линии видимого спектра обусловливаются перескоками лишь самых внешних электронов, тогда как прн перескоках в более глубоких слоях получаются линии, отвечаюшие ультрафполето- 81 б 4.
Теория водородного атома 2 2 — г > Дол<>лнения 1) Числовая связь между значениями длин волн, частот колебаний и энергией электромагнитного излучения для видимой части спектра (4000 — 7000 А) н ближай. ших к ией областей наглядно показана на рис. 1!1-27. В последней включены также наиболее употйебнтсльные в химии значения соответствующих энергий в ккал на грамм- атом (т.
е. на 0,02 10м фотонов). Как легко установить по рнс. !!1-27, энергия излучения на протяжении видимого спектра изменяется почти вдвое. 2) При рассмотрении вопросов, связанных со спектрами, часто пользуются не непосредственно длинами волн, а их обратнымн значениями — т. и. волн он ы ми ч и сл а м я: ы = 1/1<. Так как длины волн при этом выражают в сантиметрах, ы имеет размерность см '.
Волновое число показывает, сколько волн данной длины укладывается на протяжении ! см. Взаимосвязь между энергией излучения н его волновым числом хороша передается простым соотношением: Я = ы/350 ккал/г-игом. Подобное же соотношение Я = 1/3501 (где 74 выражено в см) может быть использовано для прнближеияого расчета энергий излучения по длинам волн. Следует отметить, что волновые числа нередко называют «частотами» и обозначают через т. Это может павеств вым или рентгеновским лучам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
