В 1913 г. Н. Бор предложил свою теорию строения атома, не отрицая при этом полностью предыдущие представления. В основу своей теории он положил два постулата.
Первый – электрон может вращаться вокруг ядра только по определенным стационарным орбитам. Находясь на них, он не излучает и не поглощает энергию (рис.3).
Рис. 3. Модель строения атома Бора. Изменение состояния атома при переходе электрона с одной орбиты на другую
При движении по любой стационарной орбите запас энергии электрона (Е1, Е2 …) остается постоянным. Чем ближе к ядру расположена орбита, тем меньше запас энергии электрона Е1 ˂ Е2 …˂ Еn. Энергия электрона на орбитах определяется уравнением:
где m – масса электрона, h – постоянная Планка, n – 1, 2, 3… (n=1 для 1-й орбиты, n=2 для 2-й и т.д.).
Второй постулат – при переходе с одной орбиты на другую электрон поглощает или выделяет квант (порцию) энергии.
Если подвергнуть атомы воздействию (нагреванию, облучению и др.), то электрон может поглотить квант энергии и перейти на более удаленную от ядра орбиту (рис. 3). В этом случае говорят о возбужденном состоянии атома. При обратом переходе электрона (на более близкую к ядру орбиту) энергия выделяется в виде кванта лучистой энергии – фотона. В спектре это фиксируется определенной линией. На основании формулы
,
где λ – длина волны, n = квантовые числа, характеризующие ближнюю и дальнюю орбиты, Бор рассчитал длины волн для всех серий в спектре атома водорода. Полученные результаты соответствовали экспериментальным данным. Стало ясным происхождение прерывистых линейчатых спектров. Они – результат излучения энергии атомами при переходе электронов из возбужденного состояния в стационарное. Переходы электронов на 1-ю орбиту образуют группу частот серии Лаймана, на 2-ю – серию Бальмера, на 3-ю – серию Пашена (рис. 4,табл. 1).
Рис. 4. Соответствие между электронными переходами и спектральными линиями атома водорода.
Таблица 1
Проверка формулы Бора для серий водородного спектра
Название серии | λ, А экспериментальная | λ, А вычисленная Бором |
Пашена | 18751,3 12817,5 10938,0 10049,8 | |
Бальмера | 6564,66 4862,71 4102,91 3971,20 3799,00 3712,70 | 6564,70 4862,80 4341,70 4102,93 3971,23 3799,01 3712,62 |
Лаймана | 1215,68 1025,73 972,5 |
Однако теория Бора не смогла объяснить расщепление линий в спектрах многоэлектронных атомов. Бор исходил из того, что электрон – это частица, и использовал для описания электрона законы, характерные для частиц. Вместе с тем накапливались факты, свидетельствующие о том, что электрон способен проявлять и волновые свойства. Классическая механика оказалась не в состоянии объяснить движение микрообъектов, обладающих одновременно свойствами материальных частиц и свойствами волны. Эту задачу позволила решить квантовая механика – физическая теория, исследующая общие закономерности движения и взаимодействия микрочастиц, обладающих очень малой массой (табл. 2).
Таблица 2
Свойства элементарных частиц, образующих атом
Частица | Заряд | Масса | ||
Кл | Условн.ед. | г | А.е.м. | |
Электрон | - 1,6·10-19 | -1 | 9,10·10-28 | 0,00055 |
Протон | 1,6·10-19 | +1 | 1,67·10-24 | 1,00728 |
Нейтрон | 1,67·10-24 | 1,00866 |