Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
• В чем принципиальное различие использования понятия вероятности в классической и в квантовой физике?
• Как задается состояние физической системы в квантовой физике?
• Чем отличаются требования к математическому аппарату в классической и в квантовой физике?
• Что такое волновая функция и что такое оператор физической величины?
• В чем заключается принцип соответствия Бора? Поясните его роль в физике.
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
§ 10. Строение атома
После открытия Дж. Томсоном электронов стало ясно, что эта частица входит важнейшей составной частью во все атомы. Основанная на этой гипотезе исторически первая модель атома была предложена самим Дж. Томсоном.
Томсоновская модель атома. Модель Томсона была построена так, чтобы можно было объяснить наблюдаемое на опыте испускание возбужденными невзаимодействующими между собой атомами почти монохроматического света.
Для испускания монохроматического света электрон в возбужденном атоме, по классическим представлениям, должен совершать гармоническое колебание соответствующей частоты. Поэтому при смещении электрона в атоме из положения равновесия на него должна действовать квазиупругая, т. е. пропорциональная смещению, возвращающая сила. Так получится, если считать, что атом представляет собой шар, положительный заряд которого, равный модулю полного отрицательного заряда электронов, равномерно размазан по всему объему атома.
Томсоновской модели атома была уготована очень недолгая жизнь, хотя отдельные ее положения, в частности представление о квазиупругой силе, удерживающей электрон в атоме, сохранили свое значение до настоящего времени. Это представление используется в теории взаимодействия света с веществом, объясняющей дисперсию света, т. е. зависимость скорости света в веществе от длины волны.
Опыты Резерфорда. В начале девятисотых годов Резерфорд приступил к своим знаменитым опытам по зондированию атомов с помощью альфа-частиц, испускаемых радиоактивными веществами. Масса этих частиц примерно в 8000 раз больше массы электрона, положительный заряд равен удвоенному элементарному электрическому заряду. Скорость испускаемых радиоактивным препаратом альфа-частиц составляет около 1/15 скорости света. Такими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов.
Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию альфа-частицы. Изменение траектории, т. е.
§ 10. СТРОЕНИЕ АТОМА
75
рассеяние альфа-частиц, может вызываться только тяжелой положительно заряженной частью атома. Поэтому из опытов по рассеянию альфа-частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома.
Схема опытов Резерфорда показана на рис. 24. Из испускаемых радиоактивным изотопом альфа-частиц с помощью диафрагм выделяется пучок, который падает на тонкую фольгу из исследуемого материала. Рассеянные альфа-частицы попадают на экран, покрытый сернистым цинком.
Попадание каждой альфа-частицы создает короткую вспышку света (сцинтилляцию), которую можно наблюдать в микроскоп.
Рассеяние на большие углы. При
изучении распределения рассеянных альфа-частиц было обнаружено, что некоторые из них отклонились от первоначального направления на очень большие углы. Этот результат был очень неожиданным. «Это почти столь же невероятно, говорил Резерфорд, — как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар». Действительно, если считать электрический заряд атома распределенным по всему его объему, то создаваемое им электрическое поле будет настолько слабым, что не сможет отклонить пролетающую альфа-частицу на заметные углы.
Открытие атомного ядра. Очевидно, что альфа-частица может быть отброшена назад лишь при условии, что положительный заряд атома и его масса сосредоточены в очень малом объеме внутри атома. Таким образом было открыто атомное ядро — тело малых размеров, в котором сконцентрированы весь положительный заряд атома и почти вся его масса.
Изучая подсчетом вспышек в разных местах экрана распределение рассеянных альфа-частиц по углам, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядра имеют диаметр порядка 10~13— 10~12 см. Это в сотни тысяч раз меньше диаметра самого атома. Из этих же опытов удалось впоследствии определить и заряд ядра. Если принять элементарный электрический заряд за единицу заряда, то заряд любого ядра в точности равен номеру данного химического элемента в таблице Менделеева.
Радиоактивный препарат
/ Диас )рагма
Л
Рассеивающая фольга
Микроскоп
форда
76
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
Планетарная модель атома. Опыты Резерфорда естественным путем приводят к планетарной модели атома. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Так как атом в целом электрически нейтрален, то число электронов в атоме, как и заряд его ядра (в единицах элементарного заряда), равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны благодаря кулоновскому притяжению к ядру обращаются вокруг него подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца.
