Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Итак, сразу же становится ясным, что атомы в основном состоят... из пустоты. Редкие-лобовые столкновения надо понимать так: внутри атома имеется положительно заряженное ядро.. Около-ядра расположены электроны. Они очень легкие и поэтому не составляют серьезного .препятствия для альфа-частицы. Электроны тормозят альфа-частицу, но столкновение с каждым отдельным электроном не может отклонить частицу от ее пути.
87
Резерфорд допустил, что силы взаимодействия,между одноименно заряженными ядром атома и альфа-частицей являются кулоновскими силами. Предположив далее, что масса атома сосредоточена н его ядре, он рассчитал вероятность отклонения частиц на заданный угол и получил блестящее совпадение теории с опитом.
Вот так физики и проверяют выдуманные ими модели.
— Модель предсказывает результаты опыта? • - Да. ,
— Значит, она отображает действительность?
— Ну, зачем же так резко. Модель объясняет ряд явлений — значит, она хороша. А ее уточнение — дело будущего...
Результаты опытов Резерфорда не оставляли сомнения в справедливости следующего утверждения: электроны под действием кулоновских сил движутся около ядра.
Из теории следовали и некоторые количественные оценки, которые подтвердились в дальнейшем. Размеры самых малых атомных ядер оказались равными примерно 10""13 см, в то время как размеры атома — порядка Ю-8 см. ^
Сопоставляя результаты опыта с расчетами, оказалось возможным оценить и заряды сталкивающихся ядер. Эти оценки сыграли большую, если не основную, роль в трактовке периодического закона строения элементов.
Итак, модель атома построена. Но немедленно возникает следующий вопрос. Почему электроны (отрицательно заряженные частицы) не падают на ядро (заряженное положительно)? Почему атом устойчив?
Что же тут непонятного, скажет читатель. Ведь планеты не падают на Солнце.. Сила электрического происхождения является, как и сила тяготения, центростремительной, силой и обеспечивает круговое движение электронов около ядра.
Но в том-то и дело, что аналогия между планетной системой и атомом носит лишь поверхностный характер. Как мы узнаем позже, с точки зрения общих законов электромагнитного поля атом обязан излучать электромагнитные волны. А, впрочем, можно и не знать теорию электромагнетизма. Вещество, т. е. атомы,
38
способно излучать свет и тепло. Раз так, то атом теряет энергию, а значит электрон должен падать на ядро.
Каков же выход из положения? Он очень «прост»: надо примириться с фактами и возвести- эти факты в ранг закона природы. Этот шаг и был сделан в 1913 г. великим физиком нашего столетия Нильсом Бором (1885-1962).
КВАНТОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
Как и все первые шаги, этот шаг был относительно робким. Мы изложим новый закон природы, который ле только спас атом Резерфорда, но и заставил нас прийти к выводу, что механика больших тел неприменима к частицам малой массы.
Природа устроена так, что ряд механических величин, таких, например, как момент импульса и как энергия, для любой системы взаимодействующих частиц не могут иметь непрерывный ряд значений. Напротив, атом, о котором у нас идет речь сейчас, или атомное ядро, о строении которого мы будем говорить позже, имеют свою, свойственную только данной системе последовательность энергетических уровней. Имеется наинизший уровень (нулевой). Энергия системы не может быть меньше этого значения. В случае атома это означает, что есть такое состояние, в котором электрон находится на некотором минимальном расстоянии от ядра.
Изменение энергии атома может происходить только скачком. Если скачок произошел «вверх»г то это значит, что атом поглотил энергию. Если скачок произошел «вниз», то атом излучил энергию.
Мы увидим позже, К?к красиво с этих позиций расшифровываются спектры излучения различных систем.
. Сформулированный закон называют законом квантования энергии. Можно также говорить, что энергия имеет квантовый характер. ~
Следует отметить, что закон о квантовании носит совершенно общий характер. Он применим не только к атому, но и к любому предмету, состоящему из миллиардов атомов. Но, имея дело с большими телами, мы можем зачастую «не заметить» квантования энергии.
39
Дело в том, что, грубо говоря, у предмета, состоящего из миллиарда миллиардов атомов, число энергетических уровней возрастает в миллиард миллиардов раз. Энергетические уровни будут расположены столь близко друг к другу, что практически сольются. Поэтому мы не заметим дискретности возможных значений энергии. Так что та механика, которую мы излагали в первой книге, практически не изменяется, когда речь идет о больших телах.
Во второй книге мы выяснили, что передача энергии от одного тела другому может произойти в форме работы и в форме тепла. Теперь мы в состоянии объяснить, в чем различие этих двух форм передачи энергии. При механическом воздействии (скажем, при сжатии) энергетические уровни системы смещаются. Смещение это очень незначительно и обнаруживается лишь тонкими опытами и лишь если давления достаточно велики. Что же касается теплового действия, то оно состоит в переводе системы с более низкого уровня энергии на более высокий (нагрев) или с высокого на более низкий (охлаждение).
