KSE3 (1153099), страница 6
Текст из файла (страница 6)
первую модельатома: положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электронывкраплены в него, как «изюм в пудинг». Эта идея была развита Дж. Томсоном. Модельатома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытнойпроверкой.В 1908 г. Э. Марсден (1889–1970) и X. Гейгер (1882–1945), сотрудники Э. Резерфорда(1871–1937) провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки иззолота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через пластинку,будто нет препятствия, и только 1/10 000 из них испытывает сильное отклонение. Помодели Дж. Томсона это объяснить не удавалось, но Э. Резерфорд нашел выход. Онобратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая –до 150°. Резерфорд пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятствие и этимпрепятствием является ядро атома – положительно заряженная микрочастица, размеркоторой (10-13 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10-8 см), но в ней почтиполностью сосредоточена масса атома.Модель атома, предложенная Э.
Резерфордом в 1911 г., напоминала Солнечнуюсистему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутсяэлектроны.Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный. Вместо сил тяготения,действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы.Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в Периодическойсистеме элементов Д. И. Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов,благодаря чему атом электронейтрален.Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы непотерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра.
В то же время они, согласнозаконам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Нов таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен бытьнепрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт жепоказывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтомуатомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атомаРезерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. Максвелла.В 1913 г.
великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решениивопроса о строении атома и характеристике атомных спектров.Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда иразработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезустроения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых склассической физикой:• в каждом атоме существует несколько стационарных состоятй (говоря языкомпланетарной модели, нескольо стационарных орбит) электронов, двигаясь по которымэлек трон может существовать, не излучая;• при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает илипоглощает порцию энергии.Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарныхсостояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитнойэнергии. Становится понятным, почему атомы химических элементов не испускаютизлучения, если их состояние не изменяется.
Объясняются и линейчатые спектры атомов:каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое.Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего изодного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронныеатомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тембольшим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными.Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом былиобусловлены волновыми свойствами электрона.
Длина волны движущегося в атомеэлектрона равна примерно 10-8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движениечастицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точностиописывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите(траектории) только в том случае, если длина волны частицы пренебрежимо мала посравнению с размерами системы. Другими словами, следует учитывать, что электрон - неточка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая можетизменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структурыэлектрона неизвестны.Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитахточечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в дсйствительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их зарядыкак бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторыхточках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других –меньше.Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовоймеханике: плотность электронного заряда в определенных точках дает максимум.
Кривая,связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона.Траектории, вычисленные в теории Н. Бора для одноэлектронного атома водорода,совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловилосогласованность с экспериментальными данными.Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развитиясовременной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе законовклассической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений.Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянииобъяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома.3.3.2. Элементарные частицы и кварковая модель атомаДальнейшее развитие идей атомизма было связано с исследованием элементарныхчастиц.Элементарными частицами ранее называли частицы, входящие в состав атома и неразложимые на более элементарные составляющие.
Вначале считали, что это электроны иядра, затем выяснили, что ядро состоит из более простых частиц – нуклонов (протонов инейтронов). Поэтому элементарными частицами стали считать мельчайшие частицыматерии, исключая атомы и их ядра. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц.Согласно современным представлениям, все элементарные частицы можно разделить надва класса: фермионы (названные в честь Э. Ферми); бозоны (названные в честь Ш.
Бозе (1894–1974)).К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам — кванты полей (фотоны,векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинноэлементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются какусловно элементарные, т.е. это составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.Основными характеристиками элементарных частиц являются:• масса покоя;• электрический заряд;• среднее время жизни;• спин;• квантовые числа.Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона.Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, – это фотоны.
Остальныечастицы по этому признаку делятся на лептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино),мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона,барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона (протоны,нейтроны, гипероны и многие резонансы).Электрический заряд – другая важнейшая характеристика элементарных частиц. Всеизвестные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом.Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы спротивоположным зарядом. В 1967 г.
американский физик М. Гелл-Манн (1929–2007)высказал гипотезу о существовании кварков – частиц с дробным электрическимзарядом.По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильныхчастиц пять – фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильныечастицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицынестабильны, они существуют около 10-10–10-24 с, после чего распадаются.Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются такжепонятиями, не имеющими аналогов в классической физике, – понятием «спин», илисобственный момент количества движения микрочастицы, и понятием «квантовыечисла», выражающим состояние элементарных частиц.Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий.Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе:• сильное,• электромагнитное;• слабое;• гравитационное.По виду взаимодействия (сильный, слабый) элементарные частицы можно разделитьна две группы.
Частицы первой группы были названы адронами, а второй – лептонами(рис. 3.2.). Адроны являются не элементарными, а составными частицами. «Истинно»элементарные частицы, входящие в их состав, названы кварками. Класс адронов делитсяна два семейства: барионы и мезоны. Барионы – это адроны с массой не меньше массыпротона и, которые в реакциях между элементарными частицами могут превращаться впротоны или получаться из них.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
