belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Согласиться с таким объяснением, однако, было трудно, потому что даже пеболыпое отклонение быстрых частиц свидетельствует о существовании болыпих сил, действующих на них. Оставалось неясно, откуда эти силы могут взяться в томсоновском атоме, который в среднем электрически нейтрален.
Опыты Резерфорда были продолжены его учениками Х. Гейгером и У. Марсденом, которые ставили на пути пучка тонкую фольгу из различных материалов. По свидетельству Марсдена, Резерфорд однажды попросил своих сотрудников проверить, нет ли частиц, отраженных назад. Гейгер и Марсдеп обнаружили такие акты рассеяния: на флюоресцирующем экране, который был помещен перед мишенью-фольгой и защищен от попадания на него прямых о-частиц, хотя и чрезвычайно редко, загорались яркие звездочки-вспышки от рассеянных примерно на 90' частиц.
Наличие таких процессов было крайне удивительно в рамках существовавших представлений. Даже постулируя возможность рассеяния а-частиц на малый угол при однократном акте их взаимодействия с атомами среды., невозможно наблюдаемые события считать результатом многократных рассеяний. Вспоминая впоследствии о том впечатлении, которое па пего произвели результаты наблюдений Гейгера и Марсдена, Резерфорд писал: «Это было почти столь же неправдоподобно, как если бы 15-дюймовый снаряд отразился от папиросной бумаги». Резерфорду стало ясно, что внутри атомов должны действовать огромные силы или, иначе, в них должны существовать чрезвычайно сильные поля, которые способны отбросить назад частицу с большой энергией.
Коль скоро в обратном направлении по отношению к первичному пучку отражается чрезвычайно мало частиц одна из 8000 при опытах с платиновой фольгой, вероятность попадания в область сильного поля., очевидно, очень мала. Отсюда следует, что болыную часть атома «занимает» пустота. Интересно отметить, что соображения о пустотном строении атомов были высказаны еще в 1903 г. немецким физиком Ф. Ленардом. Ему представлялся удиви сельным факт прохождения электронов (тогда они назывались катодными лучами) сквозь тонкие металлические пленки без существенного рассеяния.
Около двух лет потребовалось Резерфорду, чтобы сформулировать ответ на вопрос о том, что же представляет собой атом, и наконец в 1908 г. он пришел к вполне определенному выводу: «Поскольку масса, импульс и кинетическая энергия о-частицы очень велики 1ю сравнению с соответствующими величинами для электрона, представляется невозможным, чтобы о-частица могла отклониться на большой угол при сближении с электроном. По-видимому, проще всего предположить, что атом содержит центральный заряд, распределенный в очень малом объеме». Название «ядро» для этого центрального заряда было предложено Резерфордом в 1912 г. По мысли Резерфорда болыпипство о-частиц проходит вдали от ядра и потому мало меняет направление своего движения, но те немногие частицы, которые подходят близко к ядру, встречаются с сильным отталкиванием и потому отклоняются на большие углы.
ГЛ. 1. АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ И ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА 16 Из классической механики хорошо известна задача о рассеянии частицы в кулоновском поле. Представим себе частицу массы 1п, несущую заряд 11 и движущуюся со скоростью о. Если такая частица при движении из бесконечности попадает в электрическое поле одноименного покоящегося точе шого заряда 1,), то она движется по криволинейной траектории гиперболе, т.
е. рассеивается на некоторый угол 0, величина которого связана с расстоянием, на котором частица проходит мимо силового центра, а точнее с так называемым прицельным расстоянием Ь. Эта связь выражается соотношением Ь = сцй(0/2). Ю Если же на силовой центр падает однородный поток таких частиц, то можно показать, что вероятность рассеяния па угол 0 в единицу телесного угла равна (1.5) 16(0) = 2шцз / вш4(0,12) Эта формула (получившая в дал1 нейшем название формулы Резерфорда) хорошо оправдывается на опыте. Отклонения от нее наблюдаются только для очеп1 малых углов рассеяния и для углов, близких к х.
Первые соответствуют большим прицельным расстояниям и объясняются (несколько забегая вперед) экрапирующим действием электронов атома. Что же касается отклонений для углов, близких к х (рассеяние назад) и соответствующих малым значениям прицельного параметра., опи указывают па конечные, хотя и небольшие, размеры области локализации положительного заряда атома и дают возможность оценить эти размеры. Из опытов Резерфорда и его учеников следовало, что эти размеры составляют 10 12 см. Вскоре было установлено, что электрический заряд центрального ядра (точнее, число содержащихся в нем положительных зарядов, равных по величине заряду электрона) в точности равен номеру данного элемента в периодической таблице Менделеева.
В начале 1913 г. эту идею высказал голландский физик Ван дон Брук, а ее экспериментальное доказательство было получено спустя несколько месяцев молодым учеником Розерфорда Г. Мозли. Мозли выполнил серию блестящих измерений спек гра рентгеновских лучей, характерных для разных элементов. Оказалось, что длина волны этих лучей систематически уменьшается по мере возрастания «атомного номера» Я в периодической системе. Мозли пришел к выводу, что данная закономерность обусловлена увеличением заряда атомного ядра, который «возрастает от атома к атому на одну электронную единипу», и что число таких единиц «совпадает с номером места, занятого элементом в периодической таблице». С другой стороны, атом электрически нейтрален, следовательно, отрицательный заряд электронов должен в точности компенсировать положительный заряд ядра.
Это значит, что полное число электронов в атоме также равно Я. Таким образом, Резерфорд пришел к выводу, что атом похож на Солнечную систему. Ядро, имеющее размеры 10 '~ см, является аналогом центрального светила Солнца, а электроны выступают в роли планет, орбиты которых обладают размерами порядка размеров атома, т. е. 10 см. Отличие от Солнечной системы состоит в том, что положитель— 8 ный заряд ядра +Ее компенсируется отрицательным зарядом электронного ГЛ. Ь АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ И ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА облака — Уе, тогда как в случае сил тяготения никакой компенсации быть не может. Гравитация всегда приводит к притяжению различных тел и никогда к отталкиванию.
Планетарная модель атома была впоследствии многократно подтверждена и вскоре стала общепринятой. Резерфорду принадлежит выдающаяся заслуга в создании планетарной модели атома. Традиционная картина этой модели с ее четким рисунком электронных орбит стала своеобразной эмблемой ХХ в., кочующей по книгам, выставкам, экслибрисам и т. и. На самом деле, как это выяснилось в дальнейшем, электронных орбит не существует.
И все же эти рисунки заслуженная дань резерфордовской модели, сыгравшей роль краеугольного камня в истории создания квантовой механики. Несмотря на все успехи планетарной модели атома, ее было очень трудно объяснить с позиций классической физики. Главная неприятность состояла в том, что, согласно классической теории электромагнитных явлений, заряженный электрон, движущийся по круговой или любой другой искривлеп1юй орбите, должен все время излучать световые волны. Спектр такого излучения будот определяться частотой обращения электрона по орбите и меняться непрерывно. На опыте, напротив, атомные спектры всегда дискретны. Кроме того, потратив свою энергию на излучение световых волн, электрон должен был бы двигаться по орбите все меньшего и меныпего радиуса подобно спутнику Земли, тормозящемуся в ее атмосфере, и в конце концов упасть на ядро. Такое явление, однако, отсутствует: в обычных условиях атомы вполне стабильны. Поэтому, принимая планетарную модель атома, необходимо отказаться от классических представлений.
Наиболее отчетливо это понял замечательный датский физик Нильс Бор, говоривший позднее: «Решающим моментом в атомной модели Резерфорда было то, что опа со всей ясностью показала, что устойчивость атомов нельзя объяснить на основе классической физики и что квантовый постулат это единственно возможный выход из острой дилеммы.
Именно эта острота несоответствия заставила меня абсолютно поверить в правильность квантового постулата». Итак, в 1913 г. Нильсом Бором были выдвинуты два постулата: 1. Из бесконечного множества электронных орбит, возможных с точки зрения классической механики, осуществляются только некоторые, удовлетворяющие определенным условиям, а именно те, для которых момент импульса равен целому кратному постоянной Планка 6: рг = гпиг = пй.
(1.б) '1исло п называется глввным квантовым числом. Находясь па одной из таких орбит, электрон энергию не излучает. 2. Излучение испускается или поглощается в виде кванта энергии йы при переходе электрона из одного состояния с энергией Е„, в другое обладающее энергией Е„, т. е. йю,„= Š— Е.„. (1.7) Применим эти постулаты к атому водорода. Так как взаимодействие только кулоновское, мы имеем следующее уравнение для движения электрона с зарядом г = — е в поле протона (водородного ядра) с зарядом г = е: птэ е~ (1.8) г 4кгогз ГЛ. 1. АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ И ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА 18 Подставив сюда скорость и из первого постулата Бора и = г16/(тг), получим тг (1.9) откуда сразу находим радиус и-й боровской электронной орбиты 4яео52 2 6 4кеойс 2 Л го = и = —, и и те2 п1с е2 2ко (1.10) 4яеой 0,5.10 м=0,5А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
