belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 3
Текст из файла (страница 3)
уже был известен линейчатый характер спектров излучения атомов. О самом же атоме в этот период было мало что известно (хотя наивное представление о нем существовало еще у древнегреческих философов). Атом это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Свое название он получил от греческого а1отоз, что значит «неделимый».
Неделимость атома имеет место в химических превращениях, а также при соударениях атомов, происходяп1их в газах. И в то же время всегда возникал вопрос, не состоит ли атом из меньших частей. В 1815 г. У. Праут, исходя из целочислонности атомного веса, предположил, что все атомы состоят из атомов водорода как всеобщей праматерии. Однако улучшение измерительных методов в течение Х1Х в.
привело к столь значительным отклонениям от этой целочисленности, что его ги1ютеза была отвергнута. Мысль о внутренней связи между всеми элементами появилась снова, когда в 1869 г. Д.И. Менделеев упорядочил элементы, согласно их химическому поведению, в периодическую систему. Однако лишь в 1910 г. открытие изотопии многих видов атомов Ф. Содди разреп1ило эту проблему. Сначала Содци приписал изотопию только радиоактивным элементам, но постепенно становилось понятно, что почти каждое место в периодической системс занято не одним, а несколькими видами атомов, которые получили название изотопов.
То, что место элемента в периодической системе, его атомный номер, определяется зарядом ядра, стало ясным после иссследовапий Г. Мозли рентгеновских спектров элементов. Иными словами, было доказано, что химические свойства элементов определяются числом протронов в атоме. гт ВВЕДЕНИЕ Окончательную точку в вопросе о строении атома поставило открытие Дж. Чадвиком нейтрона в 1932 г. Сейчас мы знаем, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов — - число протонов определяет заряд ядра и тем самым положение атома в периодической системе, а число нейтронов таково, что масса всех нейтронов и протонов дает массу атома (массу электронов и их энергии связи с атомом можно в первом приближении не учитывать, поскольку масса как нейтрона, так и протона в 1840 раз больше).
Открытие нейтрона сразу же полностью прояснило и вопрос об изотопах --. это атомы, имеющие один и тот же ядерный заряд, но разное число нейтронов. Химики постоянно имеют дело с естественными смесями изотопов, которые установились в природе, и поэтому получают только средние значения атомных весов элементов. Химическими методами разделить изотопы нельзя. Впервые это сделал с помощью масс-спсктрометра Дж.
Томсон, доказавший существование двух видов атомов неона с массовыми числами 20 и 22. Однако весь этот круг вопросов физикам удалось осмыслить только с помощью квантовомеханических представлений, изложению которых посвящены нижеследующие главы. При изложении квантовой физики, в отличие от других разделов, наряду с системой единиц СИ мы будем иногда пользоваться внесистемными единицами, такими, как борн (единица измерения эффективного сечения, равная 10 ~~ м~~, ангспьрем (единица измерения длин порядка размеров атома, равная 10 ' м), или элсктронеольт, (единица измерения энергии, равная 1,6 .
10 ш Дж), поскольку опи часто используются в атомной и ядерной физике. ГЛАВА 1 АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ И ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА Еще И. Ньютон показал, что обычный белый свет представляет собой довольно сложный набор лучей разного цвета., называемый спектром. Разные источники света, вообще говоря, обладают неодинаковым спектром. В простейшем случае, когда источник света дает окрашенный луч с определенной длиной волны Л, никакого спектра после преломления в призме не возиникает. Освещенной оказывается липп узкая полоска, которая отвечает данной длине волны. Исследование спектров началось в 1860 г., когда была опубликована работа немецких ученых Г. Кирхгофа и Р.
Бунзена «Химический анализ с помощью наблюдений спектра». В последующие годы изученио атомных спектров велось весьма интенсивно. Найденные в них закономерности позволили получить неоценимую информацию о внутреннем устройстве атомов. Наиболее характерной чертой атомных спектров оказалась их дискретность †. спектры состоят из набора узеньких полосок, соответствующих набору длин волн, вполне определенных для данного вещества (полоски наблюдаются потому, что на входе призменного или решеточного спектрометра всегда устанавливается узкая вертикальная щель, на которую направляется пучок исследуемого света).
Например, в спектре водорода были обнаружены два типа линий; отдельные, далеко отстоящие друг от друга линии и группы большого числа близко расположенных линий. Последние исчезали при диссоциации на жгомы, что дало основание связать их с молекулами (так называемые молекулярные спектры). Остальные линии представляют собой спектр излучения атомов. В видимую часть спектра атомарного водорода попадают 4 линии, которые принято обозначать Но, Нд, Н, Нв. Важно отметить, что каждая линия в спектре не представляет собой строго монохроматическую волну, а имеет некоторую конечную ширину. Постепенно были найдены закономерности, которым подчинены атомные спектры. В 1885 г, швейцарский физик, учитель средней школы И. Бальмер нашел, что соотношение между длинами волн в видимой части спектра водорода выражается простой формулой 2 Л вЂ” В (1. 1) где п целое число, равное 3, 4, 5, 6, а В эмпирическая константа, равная 3647,0 А(или 364,70 нм).
Формула Бвльмера становится более наглядной, если написать ее не для длины волны Л, а для частоты световых колебаний и. Эти величины связаны простым соотношением и= Л' (1. 2) ГЛ. 1. АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ И ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА 14 где с скорость света. Согласно Бэльмеру Открытие Бальмера усилило интерес к исследованию спектра атомарного водорода. В 1906 г. Т. Лайман обнаружил еще одну серию в далекой ультрафиолетовой области.
Ф. Пашен, Ф. Брэкет, А. Пфунд и другие нашли поные серии в инфракрасной области. Для частот спектральных линий в каждой области оказалась справедливой своя формула, имевшая, однако, ту же структуру, что и формула Бальмера. Если ввести обозначение Б = 4с,1В, то «обобщенная» формула Бал»мера (1.4) и = 44 годится для любой серии, если гп и п - целые числа 1разумеется, п > гп). В таком виде эта формула была написана шведским физиком Й. Ридбергом, а постоянная В носит название постоянной Ридберга.
Аналогичные закономерности были найдены в спектрах других элементов, в частности, щелочных металлов. Классическая теоретическая физика оказалась неспособной объяснить полученные эмпирическим путем закономерности. Например, можно предположитть что атомы вещества содержат электроны, которые в нормальном состоянии, когда нет излучения, неподвижны, но по причине внешних воздействий начинают колебаться. Однако получаемые при этом спектральные законы находятся в вопиющем противоречии с опытными данными. Открытие атомного ядра и создание Э.
Резерфордом планетарной модели атома еще более усугубило ситуацию. Дело в том, что обнаружение электрона в конце Х1Х в. с необходимостью приводило к выводу, что эта отрицательно заряженная частица должна входить в состав атома. Но сами атомы электричоски нейтральны. Следовательно, где-то в них должен помещаться и положительный заряд.
Дж.Дж. Томсон полагал, например, что положительный заряд размазан по всему объему атома в виде аморфной массы (Томсон называл ее «сферой однородной положительной электризации»), а точечные электроны плавают в положительно заряженной среде. Однако эта модель была скорее умозрительной, нежели основанной на экспоримепте, и ее пришлось пересмотреть после знаменитых опытов Резерфорда и его сотрудников, которые были выполнены в Манчестере в первом десятилетии ХХ в.
и привели к открытию атомного ядра. Резерфорд воспользовался тем обстоятельством, что при распаде некоторых радиоактивных веществ испускаются о-частицы, которые представляют собой, как мы знаем сейчас, ядра гелия (~Не), состоящие из двух протонов и двух нейтронов.
Альфа-частицы электрически заряжены, их заряд равен +2е. В 1906 г. Резерфорд начал систематическое изучение фотографического действия а-частиц. Это исследование привело к неожиданному и чрезвычайно далеко идущему открытию. Схема первоначальных опытов была крайне проста. От радиоактивного источника о-частицы пропускались через узкое отверстие, после чего попадали на фотопластинку и давали на ней четкое изображение щели. Резерфорд замотил, что изображение щели ГЛ. Ь АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ Н ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА становилось размытым, если стеклянный вакуумированный прибор, в котором проводились исследования, заполнить воздухом или каким-либо иным газом. Объяснение этого эффекта на первый взгляд выглядит просто: быстрая а-частица, взаимодействуя с атомами газа., слегка отклоняется от первоначального направления происходит рассеяние.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
