73211

Строение атома

Лекция

Физика

В середине века атомистическая теория имела мало сторонников. Однако уже в начале XVIII века было показано, что многим до того времени непонятным свойствам вещества удается дать объяснение в рамках атомистической гипотезы, исходя из общих законов механики.

Русский

2014-12-05

178.5 KB

1 чел.

Лекция №28. Строение атома.

Введение.

Гипотеза о том, что все вещества состоят из огромного числа атомов, зародилась свыше 2000 лет тому назад (Демокрит, Лейкипп в Греции, Лукреций в Риме, Канада в Индии).

Атомы рассматривались как мельчайшие частицы вещества, которые не могут быть разложены на какие-либо составляющие. Греческое слово «атомос» означает неразложимый.

Сторонники атомистической теории считали, что все многообразие реального мира можно вывести из сочетаний неизменных частиц — атомов, т. е. видели в атомах «последнюю сущность» материи.

В середине века атомистическая теория имела мало сторонников. Однако уже в начале XVIII века было показано, что многим до того времени непонятным свойствам вещества удается дать объяснение в рамках атомистической гипотезы, исходя из общих законов механики. М. В. Ломоносов, наиболее полно развивший в свое время атомно-кинетическую теорию вещества, показал, что тепловые явления, а также способность газов заполнять предоставленный им объем обусловлены движением атомов.

В развитии атомистической теории выдающуюся роль сыграл Д.И. Менделеев, разработавший периодическую систему элементов. Периодическая закономерность в свойствах атомов различных элементов свидетельствует о некоей общности в их природе. По существу, Менделеев, открыв периодическую систему элементов, впервые на научной основе поставил вопрос о единой природе атомов.

Во второй половине XIX века стали накапливаться факты, показывающие, что атомы имеют сложное строение. Было обнаружено существование элементарного электрического заряда – электрона – и было показано, что электроны являются составной частью атомов.

Крупнейшие достижения современной атомной науки, техники и энергетики есть результат интенсивного развития атомной и ядерной физики. Не будет преувеличением, если мы скажем, что современная атомная и ядерная физика является основой учения о строении вещества. Больше того, не только вещество (газы, жидкости, твердые тела), но и электричество, свет и другие виды материи имеют атомистическую природу. Равным образом и движение материи определяется атомистическими законами. Из сказанного следует бесспорный вывод, что атомистическое учение о строении и движении материи является господствующим учением в современной физике.

Современная атомная и ядерная физика с особой остротой выдвигает перед учеными важнейшие философские проблемы, которые в конкретной форме проявляются в самых различных разделах учения об атоме и ядре.

Здесь следует в первую очередь назвать проблему прерывности и непрерывности материи, дуализм волн и частиц, взаимопревращаемость частиц из одних форм в другие. Все это с особой силой выражает то, что материя есть единство противоположностей. Важнейшей проблемой является также проявление всеобщей связи и взаимодействия в атомной и ядерной физике. Конкретно это сводится к проблеме взаимодействия частиц, соотношению частиц и полей, материальности пространства, проблеме электронно-позитронного вакуума и т.д.

 I. Строение атома по Резерфорду-Бору.

До 1911 года широким признанием пользовалась модель английского физика Томсона, согласно которой внутри сферы размером 10-8 см равномерно распределен положительный заряд и находятся электроны, которые колеблясь около положений равновесия излучают электромагнитные волны. Суммарный отрицательный заряд равен положительному заряду сферы.

Основой современных представлений о строение атома явились опыты Резерфорда по рассеянию – частиц, в результате которых в 1911 году была предложена планетарная модель атома.

Положительный заряд находится в ядре, где находится вся масса атома, а вокруг ядра по орбитам движутся электроны, которые не излучают энергию.

Заряд ядра равен Z (числу электронов в атоме), умноженному на его заряд |е|. Чтобы объяснить устойчивость атома датский физик Нильс Бор постулировал основные положения (постулаты Бора), которые явили собой первую квантовую модель атома.

Постулаты Бора:

  1.  Электроны в атоме движутся по некоторым стационарным орбитам без излучения.
  2.  Стационарными орбитами будут те, для которых момент количества движения электрона nrn равен целому кратному величины :

,       (1)

где n = 1,2,3…– главное квантовое число (номер орбиты-уровня);

h = 6,62·10-34 Дж·с – постоянная Планка;

rn – радиус nой орбиты;

vn – скорость электрона на орбите.

  1.  При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую происходит поглощение или испускание фотона (кванта энергии):

Е2 – Е1 = Е = h       (2)

Величина кванта = h зависит от того, с какой на какую орбиту перешел электрон.

Используя постулаты Бора, закон Кулона и вращение электрона по круговой орбите, можно рассчитать величину радиуса орбиты rn и скорость электрона на ней vn:

       (3)

,      (4)

где m – масса электрона;

ε0 – электрическая постоянная:

 z – порядковый номер элемента;

е – заряд ядра.

Полная энергия Е орбитального электрона равна сумме его кинетической и потенциальной энергий:

   Еn = Екинn + Епотn

   

   (5)

 Согласно уравнения (5) полная энергия электрона в атоме – величина отрицательная (Еn<0), т.е. электроны в атоме движутся как в потенциальной яме.

Электроны, находясь на стационарных орбитах, обладают потенциальной энергией, максимальная величина которой будет , то есть будет соответствовать ионизованному атому. Там она будет равна нулю, следовательно, потенциальная энергия электрона в атоме отрицательна.

Орбитам, на которых находится электрон, соответствует вполне определенная энергия – энергетические уровни атома. Для атома водорода их значения могут быть примерно рассчитаны по уравнению:

         (6)

Используя третий постулат Бора и выражение для полной энергии (5), получим уравнение для вычисления набора длины волны, т.е. спектров атома:

   (7)

Постоянная Ридберга

Иоганес Роберт – шведский физик – основные работы посвящены систематике атомных спектров и атомной физике.

Преобразуя уравнение (6), получаем:

Сериальная формула водородоподобных атомов

           (8)

Для водорода z = 1, тогда получим формулу, впервые эмпирически полученную швейцарским физиком Бальмером:

,       (9)

где n1 и n2 – номера орбит на которую и с которой переходит электрон;

 – волновое число, выражающее число длин волн, укладывающихся на единицу длины.

II. Спектры. Спектральный анализ.

Формула (8) позволяет определить длины волн, излучаемых (поглощаемых) различными атомами вещества. Она выражает закономерность в расположении спектральных линий и называется сериальная формула. Переход с более удаленной орбиты на более близкую связан с испусканием одного фотона – такова причина возникновения линейчатого спектра испускания, а переход электрона на более дальнюю орбиту при поглощении фотона соответствует возникновению линейчатого спектра поглощения.

Атомные спектры обладают ярко выраженной индивидуальностью, причем их вид определяется не только атомом данного элемента, но и его строением, внешними факторами: температурой, давлением, электрическими и магнитными полями и др.

Получение и анализ спектров играют огромную роль в теоретической и прикладной физике и технике. Изучение спектров испускания и поглощения веществ позволяет установить энергетические уровни и тончайшие детали строения атомов. Знание же спектров атомов и молекул различных химических соединений позволяет проводить спектральный анализ, т.е. устанавливать состав исследуемых тел.

В зависимости от вида перехода, согласно уравнения (8), серии имеют свои наименования:

n1

n2

Серия

Область спектра

1

2,3,4…

Лаймана

Ультрафиолетовая

2

3,4,5…

Бальмера

Видимая

3

4,5,6…

Пашена

Инфракрасная

4

5,6,7…

Брэккета

Инфракрасная

5

6,7,8…

Пфунда

Инфракрасная

Названия серий соответствуют именам ученых, экспериментально нашедших эти серии спектральных линий.

На рисунке приведено изображение спектральных линий серии Бальмера. Спектр постепенно сгущается около некоего предела Н, соответствующего значению n = ∞.

Символы Нα, Нβ, Нγ… являются обозначениями линий водорода в серии Бальмера.

Нα соответствует длине волны λ = 656,3 н.м – красная линия, т.е. переходу электрона с орбиты n2 = 3 на орбиту с n1 = 2.

По аналогии Нβ → λ = 486,1 н.м – синяя линия, переход с n2 = 4 на n1 = 2; Нγ → λ = 434,0 н.м – фиолетовая линия, переход с n2 = 5 на n1 = 2 и т.д.

Сравнение длин волн, вычисленных по формуле (8) и полученных на опыте дает хорошее соответствие.

Каждой орбите с номером n можно сопоставить величину равную:

,        (10)

которая получила название спектрального терма.

Разность термов двух орбит n и k дает частоту спектральной линии, возникающей при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Перейдем теперь к спектрам поглощения.

Переход электрона с более близких к ядру орбит на более удаленные связан с увеличением энергии атома и может происходить только при поглощении атомом соответствующей энергии. Так, например, для перехода с первой орбиты на третью атом должен поглотить количество энергии, равное:

    Е3 – E1= hν1,3

Именно эту энергию атом отдает с испускаемым фотоном при переходе с третьей орбиты на первую. Следовательно, переход с первой на третью орбиту возможен при поглощении атомом фотона частоты ν1,3. То же относится и к любым другим переходам с поглощением: атом способен поглощать лишь те частоты, которые испускает сам.

Спектр поглощения возникает при прохождении излучения с непрерывным спектром через толщу глаза. Например, спектр поглощения звезд или Солнца возникает при прохождении потока излучения, испускаемого плотной фотосферой (непрерывный спектр), через разреженную атмосферу звезды.

Из этого потока излучения атомы будут поглощать излучение характерных частот. Следовательно, относительная интенсивность этих частот в спектре будет убывать – на соответствующих местах непрерывного спектра возникнут «черные» линии.

Характер образующегося таким образом спектра поглощения зависит от многих обстоятельств. Трудности идентификации водорода и других элементов по их спектрам (испускания или поглощения) являются отнюдь не простыми. Подчеркнем еще раз, что весьма удобный и чувствительный спектральный анализ не является столь простым, как это часто представляется, и требует тщательного физического анализа каждой практической задачи.

III. Рентгеновские лучи.

В 1895 году немецким физиком Рентгеном были открыты сильно проникающие лучи, которые им были названы Х – лучами. Рентген заметил,

что при встрече потока быстролетящих электронов с каким-либо металлом, при их торможении, возникают эти лучи. В настоящее время их называют рентгеновскими лучами.

Рентгеновские лучи

Электромагнитное излучение, с диапазоном длин волн 8·10-8 ÷ 8·10-14 м.

Существуют два типа рентгеновского излучения:

а) белое – вызывается торможением быстрых электронов при их движении в веществе; 

б) характеристическое – связано с электронными переходами во внутренних оболочках средних и тяжелых атомов.

Рентгеновские лучи получают с помощью приборов – рентгеновских трубок.

При ударе электрона об антикатод часть его энергии превращается в теплоту EQ (нагревание антикатода), другая часть энергии Ер расходуется на возбуждение рентгеновского излучения.

Соотношение между ЕQ и Ер не постоянно, носит вероятностный характер, поэтому спектр рентгеновского излучения сплошной (белый), непрерывный:

   

при больших v  c:  ,

где

Сплошной спектр обладает следующими свойствами:

  1.  спектр ограничен со стороны малых длин волн некоторой наименьшей длиной волны minграница сплошного спектра, то есть ниже этой длины волны min (или max) рентгеновского спектра не образуется, при этом полагают, что EQ = 0, тогда:

       (11)

  1.  из графика и формулы (11) видно, что с ростом U0 граница min смещается в сторону более коротких длин волн. Рентгеновские лучи коротких длин волн называют жесткими, обладающими большой проникающей способностью;
  2.  интенсивность I растет с увеличением U.

Характеристическое излучение связано с электронными переходами во внутренних оболочках средних и тяжелых атомов. Для этих оболочек разности энергий (Еm – Еn) значительно больше, чем разности энергий для внешних оболочек.

Поэтому частоты характеристических рентгеновских спектров на несколько порядков больше частот оптических спектров:

молибден  4,3·1018 Гц; Na  5,1·1014 Гц

Характеристическое излучение возникает в результате вырывания электрона с одной из близких к ядру оболочек атома.

На освободившееся место переходит электрон из более удаленных от ядра оболочек (с большим n). Это приводит к возникновению рентгеновского фотона с частотой р:

Ионизация атомов (выров электронов) может идти двумя путями:

а) ионизация при соударении быстрых электронов с атомами – первичное рентгеновское излучение;

б) ионизация за счет захвата электронами атома рентгеновских фотонов – вторичное рентгеновское излучение (эффект Оже).

При выбивании электрона Kой оболочки возможны переходы из L, M… оболочек с последующими электронными переходами на освобождающиеся места в этих оболочках и т.д. до полного перераспределения электронов по состояниям в атоме.

Возникающие при этих переходах фотоны и образуют характеристическое рентгеновское.

Переход из соседней оболочки наиболее вероятен, поэтому первые линии любой серии K, L, M… наиболее яркие, интенсивные линии излучение.

Теория Бора объясняет возникновение как оптических, так и характеристических рентгеновских спектров.

В случае рентгеновского излучения эмпирическая формула (сериальная формула), описывающая линии спектра легких атомов, имеет вид:

,      (12)

где Sкоэффициент экранирования, учитывает экранирующее действие соседних электронов, то есть учитывает, что на электрон, совершающий переход, действует сила не всего заряда ядра, а заряда ядра, ослабленного экранирующим действием оставшегося на данной оболочке электрона. S зависит от номера оболочки.

Энергия электрона на оболочке (K, Z, M…) выражается формулой:

      (13)

спектральный терм

Закон Мозли

(англичанин, 1913 год)

      

Закон Мозли позволяет:

1. Определить характеристические частоты (или волновые числа) спектра.

2. По экспериментальным данным характеристических спектров определять квантовые числа электронных оболочек, расшифровывать структуру атома.

Свойства рентгеновских лучей:

1. Засвечивают фотопластинку;

2. Вызывают конизацию газа;

3. Обладают большой проникающей способностью (легко проходят через непрозрачные тела);

4. Вызывают свечение некоторых тел (люминесценцию).

Применение рентгеновских лучей:

1. В медицине:

а) рентгенодиагностика;

б) рентгенотерапия.

2. В металлургии:

а) для анализа однородности литья;

б) обнаружении раковин.

3. В науке – изучение внутреннего строения твердых тел.

IV. Шкала электромагнитных волн.

В природе существуют электромагнитные волны различных длин волн. В зависимости от длины они обладают различными свойствами. Это является одним из ярких примеров того, как от изменения количества (длины волны) изменяется и качество (их свойства). Существующие в природе электромагнитные волны могут быть распределены по длинам в ряд, составляя так называемую шкалу электромагнитных волн. Большая заслуга в создании шкалы электромагнитных волн принадлежит ученым: П.Н. Лебедеву и А.А. Глагольевой-Аркадьевой.

Длина волн, м:

1. Электрические лучи (радиоволны)

3·106 ÷ 10-2

2. Инфракрасные лучи

3·10-2 ÷ 7,6·10-5

3. Видимые лучи

7,6·10-7 ÷ 4·10-7

4. Ультрафиолетовые лучи

4·10-7 ÷ 6·10-9

5. Рентгеновские лучи

10-7 ÷ 10-10

6. Гамма-лучи

10-9 ÷ 10-14

7. Лучи встречающиеся в космическом излучении (волны)

Каждый из диапазонов отличается своими специфическими свойствами.

Источники электромагнитных волн:

1) излучаются различными искусственными вибраторами;

2) образуются при колебаниях отдельных частей молекул или групп атомов (колебания очень слабые, механизм колебания тепловой);

3) излучаются атомами и молекулами вещества в результате изменений состояния электронов на внешней оболочке (способы возбуждения – химические, электрические, оптические, сильный нагрев);

4) происхождение как у световых волн;

5) возникают в результате изменений состояния электронов на внутренних оболочках или образуются при резком торможении электронов (способы получения – электрический «разгон»);

6) возникают в результате распада радиоактивных элементов, возникают в глубинах атома, при распаде ядра.

Обычно за основу различия электромагнитных волн берут их длину, но на самом деле вообще нужно говорить о частоте, т.к. только частота источника и среда могут дать полное значение длины электромагнитной волны. Это легко сделать, имея связь:

,

где С – скорость света в вакууме.


10
-8 см

10-13 см

0

-1,51 эВ

-3,39 эВ

-13,6 эВ

n = 1

6

3

5

4

2

λ (Å)

Нβ

Н

Нδ

Нγ

Нα

20

30

U = 50 кВ

К

Анод

1

0,6

0,8

0,4

0,2

I

0,8

0,7

0,6

0,4

0,5

0,3

λ (Å)

I

n = 2

n = 3

n = 1

Ксерия

L – серия

M

L

К


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11134. Статическая неопределимость. Построение внутренних силовых факторов для плоских рам 606.5 KB
  Статическая неопределимость. Построение внутренних силовых факторов для плоских рам. Статическая неопределимость. С простыми статически неопределимыми системами мы уже сталкивались при расчете статически неопределимых стержней работающими на чистое растяжение–с
11135. Статическая неопределимость. Канонические уравнения метода сил 617.5 KB
  Статическая неопределимость. Канонические уравнения метода сил. Канонические уравнения метода сил. Дополнительные уравнения перемещения удобно составлять в так называемой канонической форме т. е. по определенной закономерности. На рисунке 2.5.1 а показана один раз с...
11136. Сложное сопротивление. косой изгиб. изгиб с растяжением 701.5 KB
  Сложное сопротивление. косой изгиб. изгиб с растяжением. Сложное сопротивление. Под сложным сопротивлением подразумевают различные комбинации ранее рассмотренных простых напряженных состояний брусьев растяжение сжатия кручения и изгиба В общем случае нагружени...
11137. Сложное сопротивление. Изгиб с кручением 589.5 KB
  Сложное сопротивление. Изгиб с кручением. Круглые валы. Когда в поперечном сечении бруса равен нулю только один внутренний силовой фактор – продольная сила такой вид деформации называют изгибом с кручением. Изгибу с кручением подвергаются валы различных видов меха
11138. Сложное сопротивление. Расчет пространственных стержней 593 KB
  Сложное сопротивление. Расчет пространственных стержней. Построение эпюр внутренних силовых факторов для пространственных стержней. В конструкциях встречаются стержневые системы ось которых не лежит в одной плоскости а так же и плоские системы находящиеся под воз
11139. Продольный изгиб 1.33 MB
  Продольный изгиб. Устойчивое и неустойчивое упругое равновесие До 2й половины 19 века единственным критерием прочности инженерных сооружений принималась величина действующих напряжений т. е. считалось что если напряжения не превосходят некоторого предела зависяще
11140. Продольно-поперечный изгиб 333 KB
  Продольнопоперечный изгиб. Если в поперечном сечении бруса возникают изгибающие моменты как от продольных так и от поперечных такой изгиб называют продольнопоперечным. При расчете стержней на продольнопоперечный изгиб изгибающие моменты в поперечном сечении вычис...
11141. Динамическое нагружение 485.5 KB
  Динамическое нагружение. Понятие о динамическом действии нагрузки. Ранее во всех рассмотренных нами задачах предполагалось что действующие нагрузки статические т. е. не изменяющиеся стечением времени. При проектировании машин обычно сталкиваются с деталями находя
11142. Напряжения, изменяющиеся во времени 927 KB
  Напряжения изменяющиеся во времени. Явление усталости материалов. Многие детали машин работают при переменных во времени нагрузках и следовательно возникающие в них напряжения также переменны во времени. Практика машиностроения уже в середине XIX века показала что