38385 (660719), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

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.

Atom бора

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, Н, Н, H 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/2. 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/2. Предположение о том, что орбита электрона круговая, равнозначно требованию, что момент им пульса вращающегося вокруг ядра электрона был бы целым кратным h/2.

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/2 ».

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:

где  — целые числа.

«Мы видим,—пишет Бор,—что это соотношение объясняет закономер­ность, связывающую линии спектра во­дорода. Если взять ₂ = 2 и варьировать ₁, то получим обычную серию Бальмера. Если взять ₂=3, получим в инфра­красной области серию, которую наблю­дал Пашен и еще ранее предсказал Ритц. При ₂=1и ₂=4,5,... получим в крайней ультрафиолетовой и соответ­ственной крайней инфракрасной обла­стях серии, которые еще не наблюда­лись, но существование которых можно предположить ».

Действительно, серия в ультрафиолетовой области, соответствующая ₂= 1, была найдена Лайманом в 1916 г., серия в инфракрасной области, соответствующая ₂=4 была найдена Брэкетом в 1922 г., и серия ₂=5 была найдена Пфундом в 1924 г.

Используя известные в то время зна­чения е, т, h, Бор вычислил значение постоянной в спектральной' формуле:

тогда как экспериментальное значение равно 3,290*10¹⁵. «Соответствие между теоретическим и наблюдаемым значе­ниями лежит в пределах ошибок изме­рений постоянных, входящих в теорети­ческую формулу», — писал Бор.

После опубликования статей Бора Фаулер обнаружил новые линии при разряде в трубке, заполненной водоро­дом и гелием, которые, по его мнению, не укладываются в серию Бора. Бор уточнил теорию, введя движение ядра и электрона около общего центра массы. Тогда:

в точном соответствии с эксперимен­том.

В последующих работах Бор непре­рывно уточнял основы своей теории. Она была дополнена принципом соот­ветствия (1918), позволяющим делать определенные выводы об интенсив­ности и поляризации спектральных линий.

Сам Бор не­однократно занимался вопросом о вли­янии магнитных и электрических полей на спектры атомов. Он же впервые включил в квантовую теорию атома и рассмотрение рентгеновских спектров, считая, что «характеристическое рент­геновское излучение испускается при возвращении системы в нормальное со­стояние, если каким-либо воздейст­вием, например катодными лучами, были предварительно удалены элект­роны внутренних колец» (1913).

Генри Мозли в 1913—1914 гг. открыл закон смещения длин волн характери­стических лучей, принадлежащих к одной и той же серии, при переходе от элемента к элементу. Частота рентге­новских лучей, определяющая их «жест­кость», возрастает с возрастанием по­рядкового номера элемента.

Первое теоретическое истолкование рентгеновских спектров на основе идей Бора состоит в том, что они обязаны переходам электронов на вакантные места во внутренних оболочках. Оно бы­ло дано Зоммерфельдом в его фунда­ментальной работе 1916 г. В том же 1916 г. П. Дебай и П. Шеррер разработа­ли новую методику рентгеновского ана­лиза кристаллов в порошке, получив­шую широкое распространение в рентгеноструктурном анализе.

Идеи Бора получили эксперимен­тальное подтверждение в опытах Джеймса Франка (1882—1964) и Густава Герца, которые начиная с 1913 г. изучали соударения электронов с атомами паров и газов. Оказалось, что электрон может сталкиваться с атомами газов упруго и неупруго. При упругом ударе электрон отскакивает от тяжелого атома (напри­мер, ртути), не теряя энергии, при не­упругом ударе его энергия теряется и передается атому, который при этом либо возбуждается, либо ионизирует­ся. Порции энергии, затрачиваемые на возбуждение атома, вполне определен­ные: так, электрон при столкновении с атомами ртути теряет энергию 4,9 эВ, что соответствует энергии кванта ультра­фиолетового света длиной волны 2537 А.

Квантовый характер поглощения энергии атомом был продемонстриро­ван в опытах Франка, Герца и других физиков с поразительной нагляд­ностью. За эти исследования, которые продолжались ряд лет, в 1925 г. Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии.

Квантовый характер излучения и по­глощения энергии атомом лег в основу теоретического исследования о свето­вых квантах, выполненного Эйнштей­ном в 1916—1917 гг. В этом исследо­вании Эйнштейн вывел формулу Планка, исходя из представления о на­правленном излучении. Атом излучает и поглощает энергию квантами. Выстреливая квант в определенном направлении, атом сообщает ему не только энергию hv , но и импульс .

При излучении молекула газа переходит из энергетического состояния Z_m c энер­гией _m в состояние Z_n с энергией _n излучая энергию _m - _n. Поглощая такую же энергию, молекула переходит из состояния Z_n в состояние Z_m. Моле­кула может перейти из состояния Z_m в состояние Z_n самопроизвольно, спон­танно. Вероятность такого перехода за время dt пропорциональна этому про­межутку времени dt:

Но, кроме этого спонтанного перехода, впервые введенного Бором при объя­снении спектров, по Эйнштейну, для молекул и атомов, находящихся в свето­вом поле, возможны индуцированные переходы под действием светового излучения. Вероятность такого «ин­дуцированного излучения»:

где p —объемная плотность световой энергии. Точно так же вероятность по­глощения энергии молекулой, находя­щейся в состоянии Z_n и перехода ее на высший энергетический уровень Z_m будет:

Характеристики

Список файлов реферата