Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 91
Текст из файла (страница 91)
Мы увидим «туман» легких электронов, заполняющий весь объем вещества, В этом «тумане» редко-редко расположены крошечные, ио тяжелые атомные ядра, от- стоящие друг от друга на расстояниях, в десять тысяч раз превышающих размеры самих ядер. Заряд ядра равен +Ее, где е — элементарный заряд, а Š— порядковый номер элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Так как атом в целом нейтрален, то число электронов в атоме равно Я. Таким образом, порядковый номер элемента в таблице Менделеева имеет глубокий физический смысл: порядковый номер элемента есть заряд агполы ного ядра в элементарных единицах заряда и в то же время число электронов в атоме.
й 204. Энергетические уровни атомов. Опыты по рассеянию а-частиц обнаружили существование в атомах тяжелого положительного ядра и электронной оболочки. Дальнейшие сведения о свойствах атомов дало изучение таких атомных процессов, которые сопровождаются изме- 2 ! 3 нением в н у т р е н н е й ! энергии атома. Сюда ьг ,иг относятся столкновения 1 атомов с электронами, непускание и поглощение свеРнс. 359.
устройство для измерения потери энергии электроном при та атомами и др. ИсследУЯ движений в парах ртути: г — стек- этн процессы, ) далось ус- лянная трубка, заполненная парами тановить своеобразные и ртути (давление — тысячные доли очень важные закономермм рт. ст.), 2 — накаленный катод (нагреватель на чертеже ве указав); 3 — анод 4 н З вЂ” редкие металлйется внутренняя энерГия ческие сетки, соединенные между атомов. собой, Гуд и г)з ускоряющая и тор- Столкновения электро мозящая разность потенпиалов нов с атомами. Наиболее простые условия для изучения передачи энергии от электронов к атомам могут быть осуществлены в устройстве, изображенном на рис. 359.
Из трубки 1 выкачан воздух, и внеевведено н е б о л ь ш о е количество одноатомных паров какого- нибудь вещества, например ртути э). Электроны, испускаемые накаленным катодом 2, ускоряются разностью потенциалов 77„действующей между катодом 2 и металлической сеткой 4. Благодаря очень малой концентрации атомов электроны пролетают короткий путь между катодом и первой сеткой без столкновений и приобретают энергию еь);.
*) Опыты можно вести не только с атомами, но и с молекулами. Однако при этом явления сильно усложннются. Поэтому мы ограничимся случаем одноатомных веществ. 477 За первой сеткой 4 на пути между нею и второй сеткой 5 электрическое поле равно нулю, так как сетки находятся при одинаковом потенциале, и энергия электрона может измениться только за счет соударения с атомом. Путь между сетками выбирается достаточно длинным, так что каждый электрон испытывает хотя бы одно соударение. Далее, на пути между второй сеткой и анодом действует разность потенциалов Уа, то р м о з я щ а я электроны; ввиду этого до анода могут дойти только те электроны, энергия которых больше еУа.
Постепенно увеличивая У„определим з а п и р а ющ у ю разность потенциалов, т. е. то н а и м е н ь ш е е з н а ч е н и е (l„при котором электроны не доходят до анода и ток через гальванометр прекращается. Измерив запирающую разность потенциалов, можно установить, теряют ли электроны энергию при столкновениях с атомами. В самом деле, если на пути между сетками электроны не теряют энергии, то запирающая разность потенциалов будет равна ускоряющей; в противном случае она будет меньше. При этом, если каждый электрон отдает энергию Яг, то превьппение ускоряющего напряжения над тормозящим составит )и'7е.
Опыты такого рода, проведенные с парами ртути, дали замечательный результат. Оказалось, что передача энергии от электронов к атомам существенно зависит от энергии электрона. Пока энергия электронов меньше, чем 4,9 эВ (т. е. У,(4,9 В), электроны вовсе не теряют энергии при соударениях с атомами (т.
е. У,=У,). Но когда энергия электронов достигает (или немного превышает) 4,9 эВ (У,) )4,9 В), потеря энергии при соударениях сразу становится большой (т. е. У,((У,). При этом при столкновении электрон отдает, а значит, атом ртути воспринимает всегда о дн у и т у же порцию энергии, равную 4,9 эВ*). Очевидно, эта величина характеризует свойство атома ртути; энергия его может меняться только на конечную величину, равную 4,9 эВ.
Меньшую энергию атом ртути не воспринимает. При изучении механики, теплоты, электричества мы не встречались с подобным явлением: энергия любого тела или системы тел в принципе могла изменяться непрерывно, т. е. сколь угодно малыми порциями. В случае же атома ртути непрерывное изменение энергии невозможно — энергия *) Если анергия электронов превышает 6,7; 8,3 эВ и т.
д., то при соударенияк с атомами ртути передаваемыс порции энергии могут быть ие только 4 9, ио и 6?; 8 3 эВ и т. д, 478 ртутного атома меняется только п р е р ы в н о, т. е. на конечную величинуе). Делая соответствующие опыты с другими веществами, мы приходим к тому же заключению о п р е р ы в н о с т и (дискретности) э н е р г е т и ч е с к и х с о с т о я н и й атомов. Исследование оптических спектров.
Как известяо (у 173), элементы в газообразном состоянии обладают л и н е йч а т ы м и спектрами испускания и поглощения света. Каждому элементу свойственны определенные спектральные линии, отличные от линий других элементов. Так как атомы газа находятся в среднем на болыпих расстояниях и не влияют друг на друга, частоты линейчатого спектра элемента должны определяться свойствамп о т д е л ь н ог о а т о м а этого элемента. В гл.
ХХ! мы выяснили, что световая энергия существует в виде мельчайших неделимых порций — к в а н т о в; атомы должны, следовательно, изучать и поглощать свет такими же порциями, квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте света ч, т. е. равна (то, где й=б,бх х 10 '* Дж с — постоянная Планка, Энергия испушенного атомом кванта по закону сохранения энергии равна разности энергий атома д о и п о с л е излучения, т, е. йч = ят — йт', (204.1) где яу — энергия начального состояния атома (до излучения); ят' — энергия конечного состояния атома (после излучения). Соотношение (204.1) связывает изменение энергии атома при испускании или поглощении света с частотой последнего т.
Если бы энергия атома могла испытывать всевозможные изменения, то в атомном спектре присутствовали бы всевозможные частоты и он был бы с ил о ш н ы м подобно спектру раскаленного твердого тела. В действительности же атомный спектр (т. е. спектр испускания или поглощения одноатомного газа) не сплошной, а л и н е й ч а т ы й. Он содержит только н е к о т о р ы е о п р е д е л е н н ы е характерные для данного атома частоты.
Следовательно, энергия атома не может испытывать всевозможные, любые изменения. Энергия атома может изменяться только на некоторые определенные значения. Зная спектр вещества, "1 Речь идет о внутренней энергии атома. Кинетическая энергия атома, движущегося как целое, может меняться сноль угодно малов соответствии с тем, что скорость ноступательного движения атома может меняться на любую малую величину, м79 нетрудно найти эти значения с помощью соотношения (204. 1) .
Так, например, спектр поглощения ртутного пара содержит следующие линии (в порядке убывания длин волн); 253,7, 185,0, 140,3 нм и т. д. Подставляя в (204.1), находим для первой линии Я7 — Я7' = Ь = Ьс!Х = =6,6 10 " 3 1Ое/253,7 10 '=7,8 10 "Дж, или й~' — Яу'=7,8 10 ™Я1,6 10 ") =4,9 эВ, Для второй и тре~ьей линий получаем соответственно В'— — ))У'=6,7 эВ и ))7 — Я7'=8,3 эВ. Атом ртути может, такич образом, воспринимать энергию только в виде порций, равных 4,9; 6,7; 8,3 эВ и т.
д, Наименьшая воспринимаемая порция оказывается равной 4,9 эВ в согласии с результатом, полученным из опытов по соударениям электронов с атомамп "). Итак, оба рассмотренных нами класса явлений — оптические спектры и взаимодействие атомов с электронами — указывают на п р е р ы в н ы й (д и с к р е т н ы й) характер внутренней энергии атомов. Энергия атома ие может изменяться непрерывно. Она изменяется скачками на определенные, конечные порции, различные для разных атомов. Отсюда следует, что энергия атома не может быть любой, а может принимать только некоторые избранные значения, характерные для каждого атома. Возможные значения внутренней энергии атома получили название анергет ических или квантовых уровней Схема энергетических уровней атома водорода, построенная на основании спектральных данных, изображена на рис.
360 в виде ряда параллельных линий. Расстояние между двумя линиями равно разности энергий двух состояний водородного атома и, следовательно, пропорционально частоте кванта, излучаемого при переходе из одного состояния в другое (более низкое). Поэтому расстояния между уровнями выражают в некотором масштабе частоты спектральных линий водорода. Атом, находящийся в одном из высших энергетических состояний (обозначенных номером н)1 на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
