Опыт Резерфорда. Постулаты Бора

На смену планетарной теории пришли постулаты Бора. В 1913 году выдающийся датский физик Нильс Бор на основе своих наблюдений и фактов, полученных опытным путем, установил, что большая часть представлений о строении атома не соответствовала действительности. Он же стал основоположником новой теории о строении атома.
Первый постулат Бора, который также носит название постулата стационарных состояний, гласит: каждому из стационарных (квантовых) состояний, в котором находится атомная система, соответствует определенный уровень энергии Е. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает.

В соответствии с классической механикой энергия электрона, движущегося по орбите вокруг ядра, может быть любой. В этом плане первый постулат Бора находится в явном противоречии и с планетарной моделью атома, и с классической механикой.
Постулат стационарных состояний также противоречит и принципам электродинамики, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн. Все это возможно благодаря системе энергетических уровней. Каждый из уровней соответствует определенному квантовому состоянию. Электрон, который вращается вокруг ядра атома, обладает некоторой механической энергией.

В конце 19 и начале 20 века было установлено, что атом состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов. В обычном состоянии атомы электрически нейтральны, по крайне мере на расстояниях значительно превышающих их размеры, а это возможно лишь в том случае, если в состав атома входят другие частицы положительно заряженные, которые компенсируют отрицательный заряд электронов. В 1911 г. английский физик Э.Резерфорд, на основе выполненных экспериментов, предложил именно такую ядерную (планетарную) модель атома. Эксперименты были выполнены в связи с исследованиями рассеяния a-частиц, движущихся со скоростью порядка 10⁷ м/с, имеющих положительный заряд равный двум элементарным зарядам и массу в 7350 раз большую массы электрона. Проходя сквозь фольгу толщиной 0,5-1,0 мкм частицы попадали на экран покрытый люминесцентным веществом и каждый удар вызывал кратковременную вспышку (сцинтилляцию), которые наблюдались с помощью микроскопа (рис.76). Большинство a-частиц проходило сквозь фольгу без заметных отклонений от первоначального направления, некоторые отклонялись на небольшой угол, однако наблюдались и частицы, траектории которых заметно изменялись.

В соответствии с моделью атома Резерфорда электроны должны вращаться вокруг ядра (с учетом теоремы Ирншоу), то есть двигаться с ускорением, но согласно законам классической электродинамики, они должны непрерывно излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию. Постепенно электрон должен был бы приближаться к ядру, частота его излучения должна была бы изменяться непрерывно, то есть спектр излучения должен был бы быть непрерывным а атом неустойчивым соединением. Однако атомы устойчивы и их излучение имеет линейчатый спектр, причем каждому атому соответствует вполне определенный, характерный только для него спектр, Это было установлено в результате многочисленных экспериментов, а также была определена одинаковость линейчатых спектров излучения и поглощения отдельных атомов, что позволило сделать вывод о парциальных количествах энергии (квантах), излучаемой или поглощаемой.

  Отсюда следует, что атом может находиться только лишь в определенных (дискретных) энергетических состояниях. Исходя из таких предположений датский физик Н. Бор в 1913 году на основе модели атома Резерфорда предложил более совершенные представления о строении атома, сформулировав их в виде постулатов (постулаты Боры):

1. Электроны могут двигаться в атоме только по строго определенным орбитам, радиусы которых определяются условием квантования

где m = 9,11·10^{-31 кг – масса электрона, υ – скорость его движения по орбите радиуса} r, n - квантовое число (n= 1, 2, 3…)

h = 6,63·10^-34 Дж.с – постоянная Планка

Первый постулат Бора, который также носит название постулата стационарных состояний, гласит: каждому из стационарных (квантовых) состояний, в котором находится атомная система, соответствует определенный уровень энергии Е. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает.

В соответствии с классической механикой энергия электрона, движущегося по орбите вокруг ядра, может быть любой. В этом плане первый постулат Бора находится в явном противоречии и с планетарной моделью атома, и с классической механикой.
Постулат стационарных состояний также противоречит и принципам электродинамики, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн. Все это возможно благодаря системе энергетических уровней. Каждый из уровней соответствует определенному квантовому состоянию. Электрон, который вращается вокруг ядра атома, обладает некоторой механической энергией.

Второй постулат Бора также носит название правила частот. Он гласит, что    переход атома из одного квантового состояния, характеризующегося энергией EnEn в новое квантовое состояние, которое характеризуется энергией EmEm, происходит излучение или поглощение кванта энергии.

Отсюда можно выразить частоту излучения: νnm=En–Emhνnm=En–Emh.

Правило частот вступает в противоречие с электродинамикой Максвелла, так как частота излучения не зависит от характера движения электрона и определяется только изменением энергии атома. При всех отмеченных нами противоречиях теория Бора не отвергает законов классической физики полностью. В ней по-прежнему используются представления о кулоновском поле ядра и движении электронов по орбитам. Фактически, ядерная модель атома, предложенная Резерфордом, была дополнена Нильсом Бором идеей о квантовании электронных орбит. В связи с этим теорию Бора в некоторых источниках называют полуклассической.

Правило квантования орбит позволяет определить радиусы стационарных орбит:

mv_nr_n = nh'

где n = 1, 2, 3…, m – масса электрона, r_n – радиус n-ой орбиты, v_n – скорость электрона на этой орбите.

Число n – положительное число, которое называется главное квантовое число.

Величина (mv_n)r_n – момент импульса электрона.

h' – это величина, которая равна:

h' = h/2π = 1,05445887•10^-34 Дж•с

где h – постоянная Планка.

Главное квантовое число указывает номер орбиты, по которой может обращаться электрон.

Михайлова Людмила 11б