Теорія Бора атома водню

Постулати Бора. У 1911 р після проведення дослідів з розсіювання альфа-частинок на атомах Дж. Резерфорд на підставі аналізу результатів експерименту висунув і обгрунтував планетарну модель будови атома. Відповідно до цієї моделі атом складається з важкого позитивно зарядженого ядра дуже малих розмірів (), навколо якого за деякими орбітах рухаються електрони. Радіуси цих орбіт становлять близько м. Назва “планетарна” у такої моделі атома відображає очевидну аналогію атома з Сонячною системою, в якій планети рухаються по деяких певних орбітах навколо масивного притягає центру – Сонця.
Однак, на відміну від планетарної моделі Сонячної системи, планетарна модель атома виявляється внутрішньо суперечливою з погляду класичної фізики. І це, перш за все, пов’язано з наявністю у електрона заряду.
Згідно законам класичної електродинаміки обертається навколо ядра електрон, як і будь прискорено рухається заряджена частинка, буде випромінювати електромагнітні хвилі. Спектр такого випромінювання повинен бути безперервним, тобто містити електромагнітні хвилі з будь-якою довжиною хвилі. Уже цей висновок суперечить лінійного спектра випромінювання атомів, що спостерігається на досвіді.
Крім того, безперервне випромінювання зменшує енергію електрона. Тому, за рахунок випромінювання радіус орбіти рухомого електрона зобов’язаний зменшуватися, і, врешті-решт, електрон повинен впасти на ядро. Іншими словами, планетарна модель атома в класичній фізиці виявляється нестійкою.
У 1913 р Н. Бор показав, що “врятувати” планетарну модель атома можна, вводячи в теорію атома ідеї квантування і виділяючи при цьому деякі орбіти, дозволені для руху електрона. Очевидно, що в правилах квантування повинна фігурувати квантова постійна Планка. І так як квант дії має розмірність моменту імпульсу, то Бор додає в теорію умова квантування моменту імпульсу рухається навколо ядра електрона.
Найпростішим атомом є атом водню, що містить один єдиний електрон, що рухається по замкнутій орбіті в кулонівському полі ядра. У першому наближенні ядро??атома можна вважати нерухомим, а електронні орбіти – круговими орбітами.

Якщо атому повідомити додаткову енергію, то він може перейти в збуджений стан (перехід 1 на рис. 5.4). Електрон при цьому переходить на орбіту більшого радіусу. Збудження атомів може ініціюватися різними способами, наприклад, зіткненням атомів газу в хаотичному тепловому русі, пропусканням через газ потоку високоенергетичних частинок (електронів, альфа-часток і ін.) І, нарешті, поглинанням атомами випромінювання.

Отримана формула для частот випромінювання атома водню точно збігається з узагальненою формулою Бальмера (5.1 а). Не дивно, тому, що теорія Бора атома водню, в основі якої лежить постулат квантування (5.3), в 1922 р була удостоєна Нобелівської премії з фізики.
Викладена вище теорія може бути узагальнена на випадок еліптичних орбіт (Теорія Бора-Зоммерфельда, 1915) і для опису властивостей будь-яких “водородоподобних” атомів – атомних систем, що містять один електрон, що рухається в полі ядра з позитивним зарядом. Це одноразово іонізований гелій, дворазово іонізований літій, трикратно іонізований берилій і т. д. Простий перерахунок показує, що енергетичний спектр водородоподобного іона виходить з (5.12) множенням на, а радіус орбіт електрона виявляється в разів менше, ніж в атомі водню.
Н. Бор у своїй теорії атома водню вперше реалізував ідею квантування енергії частинки, що рухається в силовому полі. Однак, ця теорія не може розглядатися як закінчена теорія атомних явищ. Описуючи атом законами класичної фізики, Бор просто “заборонив” електрону, який рухається по стаціонарній орбіті, випромінювати електромагнітні хвилі. При цьому умова квантування моменту імпульсу електрона (5.3) не має загального фізичного обгрунтування, і фактично, угадано (надалі показано навіть, що угадано не зовсім вірно) для атома водню. Спроби Бора узагальнити теорію і сформулювати постулати квантування для більш складних атомів не увінчалися успіхом.
З позиції сучасної фізики, атом є фізичною системою, яка, свідомо, не може бути описана класичною теорією, що не враховує хвильових властивостей рухомого в атомі електрона.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 4.50 out of 5)

Теорія Бора атома водню