<<
>>

2.1. Опыты Резерфорда. Постулаты Бора

Интерес к строению атома возрос в конце ХIХ века в связи с открытием электрона (1898 г.). Автор этого открытия Дж.

Томсон (Англия) выдвинул предположение, что электроны внутри атома перемешаны с положительными зарядами, образуя в целом нейтральный атом с равномерно распределёнными внутри него положительными зарядами, между которыми вкраплены электроны (подобно булке с изюмом). Эрнст Резерфорд (1911 г.) для проверки этого предположения решил обстрелять вещество a-частицами — ядрами гелия, образующимися при радиоактивном распаде. Как известно, атомы в твёрдом теле плотно упакованы, соприкасаются друг с другом (см. [I5], рис. 6.1). Значит, ожидалось, что a-частицы должны быстро застрять в металле, даже если он будет тонкой фольгой.

Схема опытов Резерфорда показана на рис. 2.1: тонкая золотая фольга (золото — это наиболее пластичный и стойкий металл) обстреливалась a-частицами, которые были направлены на фольгу узким пучком. Скорость a-частиц определялась их источником и была у всех частиц одинакова, приблизительно 107 м/с. Масса a-частицы тоже известна — это масса атома гелия. За фольгой был расположен флюоресцирующий экран, по вспышкам на котором можно было судить о числе достигших его a-частиц.

Чтобы исключить столкновения a-частиц с молекулами воздуха, в пространстве между экраном и фольгой создавался вакуум. Как с фольгой, так и без неё на экране наблюдалось интенсивное свечение в виде пятна, с диаметром, практически равным диаметру исходного пучка a-частиц, из чего можно было заключить, что почти все они свободно проникают через фольгу, не задерживаясь имеющимися в ней атомами. Отсюда Резерфорд заключил, что атом практически пуст и может быть заполнен лишь отрицательными электронами. Масса их мала и поэтому они не могут заметно повлиять на движение тяжёлой a-частицы.

Однако наблюдались и рассеянные частицы, но в очень небольшом количестве. Как предположил Резерфорд, в этих случаях a-частицы пролетали вблизи сосредоточенных в центре атома массивных положительных частиц — ядер атомов. В случае же лобового столкновения с ядром a-частицы должны быть отброшены назад, что также наблюдалось на опыте, но крайне редко. Именно эти редчайшие случаи отражения, наряду с созданной им теорией рассеяния, позволили Резерфорду оценить радиус ядра. Действительно, прежде чем изменить направление своего движения на противоположное, a-частица должна остановиться. В этот момент её кинетическая энергия перейдёт в потенциальную энергию взаимодействия с ядром обстреливаемого атома:

. (2.1)

где Z — порядковый номер обстреливаемого элемента в таблице Менделеева; Ze — заряд его ядра, 2e — заряд a-частицы; d — то расстояние, на которое a-частица приблизилась к нему. Подставив в это уравнение цифры, вы сможете убедиться, что d равно примерно 10–14 м. Это, конечно, несколько больше радиуса ядра, поскольку непосредственного столкновения ожидать трудно. Но оценить этот радиус можно: уменьшая порядковый номер мишени, можно получить всё уменьшающиеся d.

Радиус атома r0 оценивается в молекулярной физике по плотности вещества и массе А его грамм-атома:

м, (2.2)

где N0 — число Авогадро.

Радиус ядра оказывается на пять порядков меньше радиуса атома. Этот опытный факт послужил основой для новой — планетарной модели атома, согласно которой вокруг положительного ядра вращаются (чтобы не упасть на ядро) электроны. Но, двигаясь ускоренно, они должны излучать электромагнитную волну, теряя при этом свою энергию. В результате электроны должны неизбежно упасть на ядро, что противоречит опыту.

Атом у Резерфорда оказался неустойчивым. Спасая планетарную модель атома, будучи убеждён в её обоснованности, Нильс Бор (1913 г.) выдвигает два постулата:

1. Находясь на орбите, электрон не излучает. Движение его происходит лишь по тем орбитам, для которых момент импульса кратен постоянной Планка, делённой на 2p:

, (2.3)

где n — целые числа, равные 1, 2, 3 ....; ħ = h/2p также называется постоянной Планка (читается ?аш перечёркнутое?); ħ = 1,05?10–34 Дж?с.

2. Излучение кванта света происходит лишь при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую, причём энергия кванта

hn = E1 – E2, (2.4)

где E1 и E2 — энергия электрона соответственно на начальной и конечной орбитах. Если с помощью этих постулатов удастся объяснить какой-нибудь опытный факт, то их можно будет считать справедливыми.

<< | >>
Источник: Н.М. Соколова, В.И. Биглер. ФИЗИКА. Курс лекций. Часть 3. Челябинск. Издательство ЮурГУ. 2002

Еще по теме 2.1. Опыты Резерфорда. Постулаты Бора:

  1. Характеристики порошка аморфного бора
  2. Рентгенофазовый анализ
  3. Выводы
  4. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
  5. § 1. Сущность прав граждан
  6. Выводы
  7. Твердость порошковых алюмокомпозитов системы А1-3масс.%М- 1масс.%Cu, АМмасс^^ и A1-4масс.%Mg с наномодификаторами
  8. Жаростойкость порошковых алюмокомпозитов системы A1-3маcc.%Ni- 1маcc.%Cu с наномодификаторами
  9. Просвечивающая электронная микроскопия
  10. 3.5 Исследование структуры полученных порошковых алюмокомпозитов системы Л1-3 масс. %Ni-1 масс.0 оСи с наномодификаторами