Элементы квантовой механики


Модели атома Томсона и Резерфорда


Модель атома Томсона (1903 г.) – атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиусом 10-10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны.


Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален.


Атом


«булочка с изюмом»


Электрон, выведенный из положения равновесия, будет совершать гармонические колебания под действием электрических сил в поле шара, излучая при этом электромагнитную волну.


Джозеф Джон Томсон
(1856-1940 г.), английский физик
(экспериментально доказал существование электрона, определил массу и заряд электрона)


Схема опыта Резерфорда


В 1911 г. Резерфорд ставит опыты по рассеянию α-частиц тонкими металлическими пластинками золота и платины.


α-частицы испускались радием, помещенным внутри свинцовой полости с каналом так, чтобы все частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пучок попадал на фольгу из золота перпендикулярно ее поверхности. α-частицы, прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею вызывали вспышки (сцинтиляции) на флуоресцирующем экране.


Модель атома Резерфорда


Эрнест Резерфорд
(1871-1937 г.), английский физик, основоположник ядерной физики


м/с


Кл


кг


Результаты опытов Резерфорда:


1) большинство частиц проходит через атомы вещества не рассеиваясь (как через «пустоту»),


Модель атома Резерфорда


2) с увеличением угла рассеивания число отклонившихся от первоначального направления частиц резко уменьшается,


3) имеются отдельные частицы, отбрасываемые атомами назад против их первоначального движения (как мяч от стенки).


Модель атома Резерфорда


Фотография люминесцирующего экрана при отсутствии золотой фольги в потоке α-частиц


Фотография люминесцирующего экрана при внесении золотой фольги в поток α-частиц


Модель атома Резерфорда


Выводы Резерфорда:

---

Причиной рассеяния α-частиц является их взаимодействие с положительно заряженными частицами атома, занимающими очень малую часть атома. Резерфорд назвал эту область ядром.
В ядре сосредоточена почти вся масса атома и весь «+» заряд.


Ядерная (планетарная) модель атома


Ядро – центральная часть атома.


Размеры


м


Заряд ядра


Электроны образуют электронную оболочку атома двигаясь вокруг ядра по круговым орбитам (как планеты вокруг Солнца).


Модель атома Резерфорда


Радиус его орбиты должен уменьшаться, электрон будет по спирали приближаться к ядру и через с упасть на него.


По законам электродинамики ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны, т.е. атомы должны непрерывно «светиться». Следовательно, может испускаться любая порция энергии и спектр атома должен быть сплошным. В действительности же опыт показывает, что атомы имеют линейчатый спектр.


2) При излучении электромагнитных волн электрон теряет энергию.


К тому же при уменьшении радиуса орбиты должна уменьшаться частота излучения.


1) Электрон при движении по круговой орбите имеет центростремительное ускорение.


Недостатки (противоречия) планетарной модели:


Попытки построить модель атома с использованием законов клас. механики, электричества и оптики привели к противоречию с экспериментальными данными:


модель


эксперимент


1) неустойчивость атома, 2) сплошной спектр


1) атом устойчив, 2) излучает при определенных условиях, 3) линейчатый спектр


1 постулат: постулат стационарных состояний.


- приведенная const Планка.


Постулаты Бора


1913 г.


Существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых атом не излучает и не поглощает энергию.


Электрон в атоме может неограниченно долго двигаться по стационарным орбитам без излучения энергии. Каждой такой орбите можно приписать порядковый номер n, называемый квантовым числом.


2 постулат: правило квантования орбит.


В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите имеет строго определенный (дискретный) момент импульса L:


Обычно атом находится в основном или невозбужденном состоянии с n=1 и наименьшим значением энергии.

---

3 постулат: правило частот.


При переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается квант энергии, равный разности энергий этих состояний:


При передаче атому энергии он переходит в какое-либо возбужденное состояние с n=2,3,4.. В возбужденном состоянии атом находится недолго (≈10-8 с), затем испускает квант и переходит в какое-либо состояние с меньшим квантовым числом.


Постулаты Бора


- 2-ой закон Ньютона


С помощью законов клас. механики и постулатов Бора найдем радиус орбиты электрона.


Электрон в атоме движется вокруг ядра со скоростью V по круговой орбите радиусом r. На ней электрон удерживается кулоновской силой, которая играет роль центростремительной.


Водородоподобный атом в теории Бора


- правило квантования орбит


- центростремительное ускорение


- кулоновская сила притяжения электрона к ядру


Радиус 1-ой орбиты в атоме водорода (n=1, Z=1):


Водородоподобный атом в теории Бора


Радиусы орбит электрона принимают дискретные значения, т.е. электрон может находиться на строго определенных орбитах, которые зависят от главного квантового числа n.


боровский радиус атома водорода


Полная энергия электрона в атоме складывается из кинетической энергии электрона и его потенциальной энергии в электростатическом поле ядра:


Водородоподобный атом в теории Бора


2-ой закон Ньютона


Используя выражения для энергии электрона в атоме и радиуса орбит электрона, получаем окончательную формулу:


Водородоподобный атом в теории Бора


- постоянная Ридберга


Энергия электрона в атоме может принимать лишь дискретный ряд значений, определяемых набором целых чисел n.


Водородоподобный атом в теории Бора


Энергетические уровни атома водорода и спектральные серии


Водородоподобный атом в теории Бора


Серия Лаймана – 1906 г.

---

Данная серия образуется при переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на первый в спектре излучения и с первого уровня на все остальные при поглощении.


Серия Бальмера – 1885 г.
Данная серия образуется при переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на второй в спектре излучения и со второго уровня на все вышележащие уровни при поглощении.


Серия Пашена – 1908 г.
Данная серия образуется при переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на третий в спектре излучения и с третьего уровня на все вышележащие уровни при поглощении.


Водородоподобный атом в теории Бора


Обобщенная формула Бальмера, которая определяет положение спектральных линий на шкале частот:

---

Смотрите также файлы

• Министерство образования науки Российской Федерации.pdf

• .docx

• Геополитические перспективы России от сближения с Китаем.docx

• Landing page.pptx

• Планконспект проведения учебного занятия по учебной дисциплине Устройство вооружения и его боевое применение с 1 взводом.doc