Строение атома. Квантовые числа

величины  заряда ядра различных атомов. Так  как атом в

целом электрически нейтрален, то, определив заряд

ядра, можно  было бы установить и число окружающих ядро

электронов. В решении этой задачи этой большую  помощь

оказало изучение спектров рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих

электронов  о какое-либо твердое тело и отличаются от

лучей видимого света только значительно меньшей  длиной

волны. В  то время как короткие световые волны  имеют

длину около 4000 ангстремов (фиолетовые лучи), длины

волн рентгеновских  лучей лежат в пределах от 20 до

0,1 ангстрема.  Чтобы получить спектр рентгеновских

лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой  или

дифракционной решеткой. Теоретически для лучей  с

такой короткой длиной волны, как рентгеновские  лучи,

нужно было приготовить дифракционную решетку  с

1000000 делений  на 1 мм. Так как искусственно

приготовить такую решетку невозможно, то долгое время

спектр  рентгеновских лучей не удавалось  получить. В

1912 г. швейцарского  физика Лауэ возникла мысль

использовать  кристаллы в качестве дифракционной

решетки для  рентгеновских лучей. Закономерное

расположение  атомов в кристаллах и весьма малые

расстояния  между ними давали основание предполагать,

что кристалл как раз и может сыграть  роль требуемой

дифракционной решетки. Опыт блестяще подтвердил

предположение Лауэ, вскоре удалось построить приборы,

которые давали возможность получать спектры

рентгеновских лучей почти всех элементов. Для

получения рентгеновских спектров антикатод  в

рентгеновских трубках делают из того металла, спектр

которого хотят получить, или же наносят соединение

исследуемого  элемента. Экраном для спектра  служит

фотографическая пластинка или бумага; после

проявления  на ней видны все линии спектра. В 1913 г.

английский  ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры

нашел соотношение  между длинами волн рентгеновских

лучей и  порядкового номерами соответствующих

элементов - это носит название закона Мозли и может

быть сформулированно следующим образом: Корни

квадратные из обратных значений длин волн находятся в

линейной  зависимости от порядковых номеров  элементов.

Еще до работ  Мозли некоторые теоретические

соображения позволяли предположить, что порядковый

номер элемента указывает число положительных  зарядов

ядра его  атома. В тоже время Резерфорд, изучая

рассеивание -частиц при прохождении через тонкие

металлические пластинки, нашел, что если заряд

электрона принять за единицу, то выражаемый в

таких единицах заряд ядра приблизительно равен

половине  атомного веса элемента. Порядковый номер, по

крайне  мере более легких элементов, тоже равняется

примерно  половине атомного веса. Все вместе взятое

привело к  выводу, что Заряд ядра численно равен

порядковому номеру элемента. Таким образом, закон

Мозли позволил определить заряды атомных ядер. Тем

самым, ввиду  нейтральности атомов, было установлено  и

число электронов, вращающихся вокруг ядра в атоме

каждого элемента. Ядерная модель атома

Резерфорда  получила свое дальнейшее развитие

благодаря работам Нильс Бора, в которых  учение о

строении атома неразрывно связывается с учением о

происхождении спектров. Линейчатые спектры получаются

при разложении света испускаемого раскаленными парами

или газами. Каждому элементу отвечает свой спектр,

отличающийся от спектров других элементов.

Большинство металлов дает очень сложные спектры,

содержащие огромное число линий (в железе до 5000),

но встречаются  и сравнительно простые спектры.

Развивая  ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к

мысли, что  сложная структура линейчатых спектров

обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями

электронов. По теории Резерфорда, каждый электрон

вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра

уравновешивается  центробежной силой, возникающей при

вращении электрона. Вращение электрона совершенно

аналогично  его быстрым колебаниям и должно вызвать

испускание  электромагнитных волн. Поэтому можно

предположить, что вращающийся электрон излучает свет

определенной  длины волны, зависящий от частоты

обращения электрона по орбите. Но, излучая  свет,

электрон  теряет часть своей энергии, в следствие чего

нарушается  равновесие между ним и ядром; для

восстановления  равновесия электрон должен постепенно

передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно

будет изменяться частота обращения электрона  и

характер  испускаемого им света. В конце концов,

исчерпав  всю энергию, электрон должен "упасть" на

ядро, и  излучение света прекратится. Если бы на самом

деле происходило такое непрерывное изменение движения

электрона, то и спектр получался бы всегда

непрерывный, а не с лучами определенной длины волны.

Кроме того, "падение" электрона на ядро означало бы

разрушение  атома и прекращения его существования.

Таким образом, теория Резерфорда была бессильна

объяснить не только закономерности в распределении

линий спектра, ни и само существование линейчатых

спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения

атома, в  которой ему удалось с большим искусством

согласовать спектральные явления с ядерной  моделью

атома, применив к последней так называемую квантовую

теорию  излучения, введенную в науку  немецким

ученым-физиком  Планком. Сущность теории квантов

сводится  к тому, что лучистая энергия испускается  и

поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а

отдельными  малыми, но вполне определенными порциями -

квантами  энергии. Запас энергии излучающего  тела

изменяется  скачками, квант за квантом;дробное число

квантов тело не может ни испускать, ни поглощать.

Величина  кванта энергии зависит от частоты  излучения

: чем больше  частота излучения, тем больше  величина

кванта. Обозначая  квант энергии через , можно

написать: = где - постоянная величина, так называемая

константа Планка, равная 6,625 10 эрг сек. Кванты

лучистой  энергии называются также фотонами. Применив

квантовые представления к вращению электронов вокруг

ядра, Бор  положил в основу своей теории очень смелые

предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты  и

противоречат  законам классической электродинамики, но

они находят  свое оправдание в тех поразительных

результатах, к которым приводят, и в том полнейшем

согласии, которое обнаруживается между теоретическими

результатами  и огромным числом экспериментальных

фактов. Постулаты  Бора заключаются в следующем:

Электрон  может двигаться вокруг не по любым  орбитам, а

только  по таким, которые удовлетворяют  определенными

условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты

получили  название устойчивых или квантовых  орбит.

Когда электрон движется по одной из возможных для

него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход

электрона с удаленной орбиты на более близкую

сопровождается  потерей энергии. Потерянная атомом при

каждом переходе энергия превращается в один квант

лучистой  энергии. Частота излучаемого при  этом света

определяется  радиусами тех двух орбит, между  которыми

совершается переход электрона. Обозначив запас

энергии атома  при положении электрона на более

удаленной от ядра орбите через Е , а на более близкой

через Е  и разделив потерянную атомом энергию Е - Е на

постоянную  Планка, получим искомую частоту:

=------

Чем больше расстояние от орбиты, на которой

находится электрон, до той, на которую он переходит,

тем больше частота излучения. Простейшим из атомов

является  атом водорода; вокруг ядра которого

вращается только один электрон. Исходя из приведенных

постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных  орбит для

этого электрона  и нашел, что они относятся, как

квадраты  натуральных чисел: 1 : 2 : 3 : ... n Величина

n получила  название главного квантового  числа. Радиус

ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется

0,53 ангстрема.  Вычисленные отсюда частоты излучений,

сопровождающих  переходы электрона с одной орбиты на

другую, оказались в точности совпадающими с

частотами, найденными на опыте для линий  водородного

спектра Тем  самым была доказана правильность расчета

устойчивых  орбит, а вместе с тем и приложимость