Опорний конспект з теми " Атомна фізика. Будова атома. Теорія Бора "

Конспект лекцій по темі: Будова атома. Теорія Бора.

План

1. Модель атома Томсона. Досліди Резерфорда. Планетарна модель атома.

2.Закономірності в атомних спектрах водню. Квантові постулати Бора.

3.Поняття про квантову механіку. Лазери.

 1.Відкриття, зроблені в другій половині XIXст., змусили поступово взяти під сумнів слушність уявлення про атоми як неподільні частинки (атом в перекладі з грецької означає неподільний).  Німецькі учені Г.Кірхгоф і Р.Бунзен встановили: кожному хімічному елементу відповідає характерний, властивий лише цьому елементу, лінійчастий спектр випромінювання і поглинання. Тобто світло випромінюється і поглинається окремими атомами, а атом – це складна система, здатна взаємодіяти з електромагнітним полем.

  У 1897р. Дж.Томсон відкрив електрон, а в 1898р. запропонував першу модель атома у вигляді позитивно зарядженої кульки радіусом порядку

10^-10м, в яку вкраплено окремі електрони, що нейтралізують позитивний заряд (кекс з родзинками).

 У 1911р. Е.Резерфорд провів ряд дослідів, пропускаючи крізь тонку металеву фольгу (10^-6м) пучок швидких α-частинок. Більшість α-частинок злегка розсіювалися на невеликі кути, проте окремі (одна з 20 000) поверталися назад.

1.пучок α-частинок

2. металева фольга

3.люмінісцентний екран

4. мікроскоп

       Проаналізувавши результати, Резерфорд запропонував «планетарну» модель атома: атом має вигляд мініатюрної Сонячної системи – весь позитивний заряд і майже вся маса атома (99,4%) зосереджені в атомному ядрі розмір якого має порядок 10^-15м, навколо ядра по колових орбітах  рухаються електрони, сумарний заряд яких по модулю дорівнює заряду ядра. Розмір атома має порядок 10^-10м.

 Модель Резерфорда не пояснила спектральних закономірностей і суперечила законам класичної механіки і електродинаміки.

 2. Частоту будь-якої лінії в спектрі атома Гідрогену можна подати у вигляді:                 , де  R=3,3∙10¹⁵с^-1, i=1,2,3… n=2,3,4… n> i  

 Ця формула є емпіричною. Пояснити лінійчастий спектр вдалося лише після створення 1913р Н.Бором квантової теорії будови атома, яка базується на таких постулатах:

1. Електрони можуть рухатися в атомі тільки по певних стаціонарних орбітах, яким відповідає певна енергія і  які визначаються умовою

, не випромінюючи при цьому, де n=1,2,3…

2. Атом випромінює або поглинає квант електромагнітної енергії при переході з одного стаціонарного стану в інший. Енергія кванта дорівнює різниці енергій стаціонарних станів електрона до і після переходу:

                       hν = E₂ – E₁

              Радіуси орбіт електрона в атомі водню пропорційні n²:

   і при n=1 маємо значення першого борівського радіуса: r₁ = 0,528∙10^-10м.   r_n=n²∙ r₁

 Швидкість руху електрона на орбіті обернено пропорційна n:

і при n=1 маємо значення швидкості електрона на першій орбіті: V₁= 2,2∙10⁶м/с.       

Повна енергія атома E_n на n-му рівні обернено пропорційна n²: і при n=1 маємо значення Е₁= -13,6еВ           

3. Теорія Бора була проміжною ланкою між класичною і квантовою фізикою.

        У 1923р. Луї де Бройль, проводячи аналогію між квантом, який має енергію Е = hν, та імпульс p = h/λ,  припустив, що рух електрона або будь-якої іншої частинки, яка має масу спокою, пов’язаний із хвильовим процесом, якому відповідає хвиля (хвиля де Бройля), довжина якої: .

Тобто стаціонарними є лише ті орбіти, на яких вкладається ціле число довжин хвиль де Бройля.

         Ідеї де Бройля були поштовхом до створення принципово нової теорії, яка описує поводження мікрочастинок з урахуванням їх хвильових властивостей. Цією теорією стала квантова механіка, основи якої створили в 1925-1926рр. В.Гейзенберг і Е.Шредінгер.

Оскільки частинка має корпускулярно-хвильовий дуалізм, то одночасно точно визначити координату x та імпульс p_x не можна: чим точніше визначено координату, тим менш точно визначено імпульс і навпаки.

Це випливає з принципу невизначеності Гейзенберга:

Сам акт спостереження частинки мікросвіту вносить невизначеність.

Характерна особливість квантової механіки – ймовірнісне трактування явищ мікросвіту. Електрон за сучасними уявленнями не кулька, а хмара. Його стан в атомі характеризується чотирма квантовими числами: n, l, m,s. Два електрони в атомі не можуть мати однакові набори квантових чисел – принцип Паулі.

Квантові генератори (лазери, мазери)– це джерела когерентного електромагнітного випромінювання з точно певною частотою і високою напрямленістю. Їх застосовують для зв’язку в космосі, випаровування чи зварювання матеріалів у вакуумі, в хірургічних операціях, в косметології, для збудження хімічних реакцій, здійснення керованої термоядерної реакції та ін.

Принцип дії рубінового лазера

Контрольні запитання по темі: Будова атома. Теорія Бора

1. Опишіть дослід Резерфорда і планетарну модель атома.

2. Запишіть і поясніть емпіричну формулу для знаходження частоти будь-якої лінії в спектрі атома Гідрогену.

3. Сформулюйте і поясніть постулати теорії Бора.

4. Які фізичні величини для електрона в атомі водню дозволяє визначити теорія Бора?

5. Що таке хвиля де Бройля? Як знайти її довжину?

6. Що вивчає квантова механіка?

7. Запишіть і поясніть принцип невизначеності Гейзенберга.