История и методология естествознания. Кудрявцев С.П. - 25 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

Изучением спектров занимался еще Ньютон. Он и заложил основы научной спектроскопии. По мере раз-
вития этой области знания было выяснено, что нагретые твердые тела, жидкости и плотные газы испускают
свечение с непрерывным спектром. Разряженные газы могут также испускать свечение, если их нагреть или
приложить к трубке с газом высокое напряжение. При этом полученный спектр будет не сплошным, а прерыви-
стым, линейчатым. Любое вещество имеет свой спектр испускания, позволяющий идентифицировать это веще-
ство. Свечение с непрерывным спектром объяснялось колебаниями атомов и молекул, которые зависели от
взаимодействия атомов или молекул между собой. В разряженном газе атомы находятся на значительных рас-
стояниях друг от друга, поэтому свет испускают изолированные атомы. Поэтому изучение линейчатых спек-
тров помогает в решении проблемы строения атома.
В 1885 г. швейцарский ученый Иоганн Бальмер (1825 – 1898) обнаружил в спектре разряженного водорода
серию линий, длины волн которых отвечали простой формуле:
,
1
2
11
22
−=
λ
n
R
где λ – длина волны; R – постоянная Ридберга, названная в честь ученого, обобщившего формулу Бальмера
на другие элементы;
n – целые числа 3, 4, 5, ... .
Модель атома Резерфорда не смогла объяснить такие закономерности в спектре водорода. Из нее выходи-
ло, что атомы должны испускать непрерывный спектр, в действительности излучение разряженных газов имело
линейчатый спектр. Теория атома Резерфорда нуждалась в усовершенствовании. Необходимые видоизменения
ядерной модели сделал датский ученый Нильс Бор.
9.4. Бор и квантовая модель атома
Манчестерская школа Резерфорда привлекала таланты из многих стран. В 1912 г. в Манчестер приехал
Бор. До приезда в Манчестер Бор работал у автора первой модели атома – Томсона. В Манчестере он увлеченно
работает над проблемами ядерной модели Резерфорда. И в 1913 г. появилась его публикация "О строении ато-
мов и молекул", в которой Бор излагает свою модель атома. Он принимает планетарную модель атома Резер-
форда и усовершенствует ее, применив к ней квантовые идеи теории теплового излучения Планка. В модели
Бора электроны движутся по круговым орбитам, среди которых разрешенными являются только определенные
орбиты. Он называет их стационарными. Вращаясь по этим орбитам, электрон не излучает и не поглощает
энергию. Это его первый постулат, который находится в противоречии с классической электродинамикой. Из-
лучение или поглощение энергии происходит при переходе электрона с одной орбиты на другую. Квант энер-
гии, испускаемый или поглощаемый при этих переходах, равен разностям энергий, которыми обладал электрон
в стационарных состояниях. Это второй постулат Бора. Причем испускание кванта энергии происходит при
перескакивании электрона с верхней орбиты на нижнюю, а поглощение – при переходе с нижней орбиты на
верхнюю. Для подсчета энергий электрона на разрешенных орбитах и радиусов таких орбит он вводит условие
квантования, которое не имело прочного теоретического обоснования, но оно позволяло объяснить сериальные
закономерности в спектрах атома водорода. Для атома водорода радиус первой разрешенной орбиты равнялся
0,529
× 10
–10
м. Остальные радиусы возрастали как n
2
, где n = 1,2,3,.. Например, радиус второй боровской орби-
ты равнялся четырем радиусам первой боровской орбиты. В модели Бора квантовалась и энергия. Наименьшее
значение энергии в атоме водорода имеет электрон, находящийся на первой орбите, и эта энергия равнялась –
13,6 эв. На других, более высоких орбитах, энергия увеличивалась обратно пропорционально квадрату номера
орбиты. Низший энергетический уровень называется основным состоянием, более высокие – возбужденным
состоянием. При комнатной температуре почти все атомы водорода находятся в основном состоянии. При бо-
лее высоких температурах электрон переходит в возбужденное состояние, а из возбужденного состояния он
может перейти в более низкое состояние, испуская при этом фотон. Такими переходами обусловлены спектры
испускания. Так для серии Бальмера переходу с третьей орбиты на вторую соответствует красная линия (656
нм.), а переходу с четвертой орбиты на вторую соответствует сине-зеленая линия (486 нм.) Модель Бора позво-
лила объяснить линейчатые спектры. Она решила вопрос о стабильности атомов. Несмотря на эти блестящие
результаты теории Бора, она имела также существенные недостатки. Теория Бора представляла собой смесь
классических и квантовых представлений. Условие квантования в этой теории не имело логического обоснова-
ния. В то время, как теория Бора успешно решила задачу водородного атома, имеющего всего один электрон,
она встала в тупик при решении задач многоэлектронных атомов, например, атома гелия. Бор сам сознавал не-
достатки своей теории. Он писал: "Однако едва ли нужно подчеркивать, что теория в значительной степени
находится еще в начальной стадии своего развития и что существует еще много фундаментальных вопросов,
ожидающих своего решения".
9.5. Принцип соответствия
В 1918 г. продолжая развивать свою теорию, Бор сформулировал принцип соответствия, который утвер-
ждал, что квантовая теория должна приводить к тем же результатам, которые предсказывает классическая тео-
рия, когда она имеет отношение к макромиру, когда квантовые числа имеют большую величину.
Например, в случае атома водорода, размеры орбит и значения энергий сильно различаются для квантовых
чисел равных 1 и 2, а для квантовых чисел, равных 100 000 и 100 001, различие в размерах орбит и значений

Страницы