Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

Розділ 4. Квантова та ядерна фізика

На початку ХХ ст. завдяки дослідам Резерфорда вдалося встановити будову атома. Одночасно зі створенням квантової теорії та спробами пояснити будову атома та його електронних оболонок розпочалось дослідження й атомного ядра. Що, у свою чергу, відкрило таємниці мікросвіту елементарних частинок, дослідження яких триває і до цього часу.

Пригадати історію становлення наукових пояснень будови атома й досліди Резерфорда, які ви вивчали в 9 класі, можете за допомогою електронного додатку.

§ 50. Будова атома

Постулати Бора. Відкриття складної будови атома — найважливіший етап становлення сучасної фізики, який позначився на її наступному розвитку. Багато часу та зусиль учених різних країн світу знадобилося, щоб сформувалися сучасні уявлення про будову атома.

Основоположною в галузі атомної фізики стала модель атома, що була одержана з низки дослідів, які називають дослідами Резерфорда.

Згідно з моделлю Резерфорда, атом складається з масивного важкого ядра й електронів, що обертаються навколо нього. Будучи прогресивним кроком у розумінні будови мікросвіту, модель атома Резерфорда має лише історичну цінність. Проблема цієї моделі полягала в її нестабільності. Відповідно до теорії Максвела, заряджена частинка, що рухається з прискоренням, має випромінювати. Відповідно, електрон, обертаючись навколо ядра, рухається з доцентровим прискоренням, а отже, має випромінювати та, втрачаючи кінетичну енергію, падати на ядро. Такий атом має існувати протягом неймовірно малих інтервалів часу (близько 10 мільярдних долі секунди).

Вихід із ситуації запропонував данський фізик Нільс Бор у 1913 р. Він дійшов висновку, що планетарну модель атома Резерфорда слід доповнити ідеями квантової теорії, яка починала утверджуватись. Бор припустив, що електрони в атомах також не випромінюють енергію неперервно, випромінювати вони можуть лише під час переходу з одного енергетичного стану в інший.

Нільс Бор доповнив планетарну модель атома такими постулатами:

• 1. Атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових, станах, кожному з яких відповідає певна енергія Е_n . У стаціонарному стані електрон рухається по коловій орбіті радіусом r й атом енергію не випромінює (у Нільса Бора йшлося про радіус орбіти електрона, зараз ми говоримо про орбіталі електронів).
• 2. Перехід атома з одного стаціонарного стану в інший супроводжується випромінюванням або поглинанням фотонів, енергію яких hυ визначають за формулою hυ = Е_к – Е_n, де к і n — цілі числа (номери стаціонарних станів) (мал. 223).

Мал. 223. Перехід атома з одного стаціонарного стану в інший

• 3. Момент імпульсу електрона, що рухається зі швидкістю υ_n на n-ій орбіті, радіус якої r_п, набуває дискретних значень:

де n = 1, 2, 3 ... , m — маса електрона, h — зведена стала Планка.

Використовуючи закони механіки Ньютона та правила квантування, Бор зумів з високою точністю обчислити енергетичні стани атома Гідрогену. Проте застосування її до складніших атомів не давало таких блискучих результатів. По своїй суті вона була спрямована на вирішення конкретної проблеми: обґрунтування стабільності атома та пояснення лінійчатих спектрів. Незважаючи на це, теорія Бора в розвитку фізики відіграла значну роль.

По-перше, ідея квантування в моделі атома Бора узгоджувалася з ідеями де Бройля. Тим самим підтверджувалося, що корпускулярно-хвильовий дуалізм закладений у самій структурі атома.

По-друге, вона стала поштовхом для розвитку квантової фізики.

Досліди Франка і Герца. Першими експериментальними, що підтвердили теорію Бора, стали досліди Джеймса Франка і Генріха Герца 1913 р. Ідея дослідів була така. Якщо через газ пропускати потік електронів певної енергії, то електрони стикатимуться з атомами, внаслідок чого енергія електронів буде змінюватись. Якщо співудари будуть пружними, то внаслідок того, що маса електронів набагато менша за масу атомів, втрати їхньої кінетичної енергії будуть незначними. Під час непружного удару електрон може передати всю свою енергію або її частину одному з електронів атома. Згідно із законами класичної механіки кількість переданої енергії буде визначатись умовами зіткнення та може набувати довільних значень. Якщо ж стаціонарні стани справді існують, то зміни енергії електронів не будуть довільними, — вони будуть дорівнювати різниці значень енергій стаціонарних рівнів атомів.

Схему досліду наведено на малюнку 224. Скляна колба заповнена парою ртуті (хімічний елемент Меркурій).

Мал. 224. Схема досліду Франка й Герца

Електрони з катода К під дією електричного поля, створеного між електродами джерелом струму Е, прямують до сітки й анода А. Між сіткою та анодом А існує незначна напруга (0,5 В), яка гальмує повільні електрони, перешкоджаючи їхньому рухові до анода.

Результати дослідження залежності сили струму І в колі анода від напруги U показали, що ця залежність має складний нелінійний характер (мал. 225).

Мал. 225. Залежність сили струму від напруги в досліді Франка й Герца

Існування максимумів струму за напруг 4,9; 9,8 і 14,7 В можна пояснити лише однією причиною — існуванням в атомі Меркурію стаціонарних станів. Очевидно, за напруги U < 4,9 В електрони не встигають набути достатньої енергії та, зіткнувшись із атомами Меркурію, пружно від них відбиваються (адже m_e < m_Hg) і легко долають гальмівну напругу між сіткою та анодом. За напруги U = 4,9 В відбувається вже їх непружне зіткнення й електрони втрачають енергію, збуджуючи атоми Меркурію (енергії електрона достатньо для цього). Але, втративши свою енергію, електрони не можуть подолати гальмівної напруги, і сила струму в колі анода різко спадає. З подальшим зростанням напруги між катодом К і сіткою сила анодного струму знову зростає, досягаючи максимуму за напруги 9,8 В. Знову відбуваються непружні зіткнення з передавання енергії від електрона до атома, тобто енергія атома Меркурію змінюється на 4,9 еВ.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. У чому сутність планетарної моделі атома? 2. У чому планетарна модель атома не узгоджується із законами класичної фізики? 3. Сформулюйте постулати Бора. 4. У чому полягала ідея досліду Франка й Герца? Який висновок можна зробити на основі його результатів?