Файл: Физика изучение спектра излучения атома водорода Методические указания к лабораторной работе Электронный учебный материал Минск 2020.docx

Скачать файл (0,27Мб)

Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.01.2024

Просмотров: 155

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

Порядок проведения измерений и обработки результатов

Градуировка монохроматора

Определение длин волн в серии Бальмера с помощью призменного монохроматора

Установка производится инженером или преподавателем.

Включение производится инженером или преподавателем.

α-частицы назад. Однако, если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в nраз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона увеличилась бы в

кул
n² раз ( F

). Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что весь

положительный заряд атома сосредоточен в малом объеме. Именно эта часть атома была названа

атомнымядром.

В результате, опыты Резерфорда с сотрудниками привели к созданию ядерной(илипланетарной)моделиатома(см. рисунок 3), согласно которой в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро (содержащее около 99,95 % массы атома), диаметр которого не превышает 10^–14–10^–15 м. Атом в целом нейтрален: отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ядра. Электроны, подобно планетам, вращаются по орбитам вокруг ядра под действием кулоновских сил. Электроны не могут находиться в состоянии покоя, ибо в этом случае они должны притянуться к ядру.

Однако, несмотря на все достоинства, модель Резерфорда содержала в себе одно важное противоречие: она оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т.е. его устойчивость. Действительно, по законам классической электродинамики, электрон, движущийся с ускорением вокруг ядра, должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию электрона. Это означает, что за короткое время (порядка 10^–8с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. Однако этого не происходит в устойчивых

состояниях атома. Отсюда следует вывод о том, что планетарная модель атома в классической физике оказывается недостоверной и внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам физики. Истинная картина строения атома стала известна позднее.

ПостулатыБора

Выполненные к тому времени оптические эксперименты показали, что спектры

излучения (испускания) атомов состоят из отдельных узких спектральных линий, и их называют линейчатыми. Кроме того, эти спектральные линии расположены не беспорядочно, а образуют серии линий. Так, для атома водорода было открыто несколько спектральных серий, детальное рассмотрение которых будет представлено ниже. Объяснение этих спектральных закономерностей в рамках классической физики оказалось невозможным.

В итоге, неустойчивость атома в планетарной модели Резерфорда и удивительные закономерности спектров испускания атомов привели Н. Боракформулировкев1913г.двухважнейшихпостулатов:

Первый постулат – постулат стационарных состояний. Электронватомеможетдвигатьсятолькопоопределенным(разрешенным)стационарныморбитам,каждойизкоторыхможноприписатьопределенныйномерn=1,2,3…Атомприэтомнепоглощаетинеизлучает энергию, а находится в стационарном состоянии с неизменнойполнойэнергиейE_n.

Правилоквантованияорбит. Разрешеннымистационарнымиорбитами являются только те, для которых момент импульса электронаLравен целомукратномуприведенной постояннойПланка¹

L_n m_e_nr_n n

, n

1, 2, 3 (1)

где n – номер орбиты электрона, L_n – величина момента импульса электрона на n-й орбите, m_e- масса электрона, _n–линейная скорость электрона на n-й орбите, а r– её радиус.

h
Это означает, что движущийся по стационарной замкнутой орбите электрон, вопреки законам классической электродинамики, не излучает энергии.

¹ Приведенная постоянная Планка

^2

, где h= 6,62607004∙10^-34 Дж∙с – постоянная Планка.

Второй постулат – правило частот Бора. При переходе атома из одногостационарногосостояния вдругоеэлектрониспускаетилипоглощаетквантэлектромагнитногоизлучения(фотон).

Если переход происходит на более низкий энергетический уровень, фотон излучается и уносит избыток энергии (см. рисунок 4). При этом частота  излучения атома определяется разностью энергий атома в двух стационарных состояниях, т.е.

E_ф h_n_k E_n E_k, при n k. (2)

Такое же соотношение выполняется и в случае поглощения, когда падающий фотон с энергией h _nkпереводит атом с
Рисунок 4. Излучение фотона при переходе атома в стационарное состояние с меньшей энергией

нижнего энергетического уровня (состояния) k на более высокий уровень n, а сам при этом исчезает.

Из соотношения (2) следует, что атомпереходитизодногостационарного состояния в другое скачками (их называют квантовыми). Отметим, что переходы атома на более высокие энергетические уровни могут также происходить и при неупругих столкновениях с другими атомами. Вместе с тем, постулаты Бора не дают ответа на вопрос, что происходит с атомом в процессе перехода, этот вопрос остается открытым.

АтомводородапоБору

Для объяснения результатов спектральных закономерностей в спектрах испускания атома водорода ядро атома рассматривается неподвижным, а электронные орбиты – круговыми орбитами. Запишем второй закон Ньютона для вращения электрона с массой m_eпо круговой орбите радиуса r под действием кулоновской силы притяжения со стороны ядра (выполняющей роль центростремительной силы) и формулу Бора (1) для квантования момента импульса электрона

^m ² 1 e²

r
_e n __