Категории: ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Вопрос № 11. Модель атома Бора. Спектр излучения атома водорода.Теория атома водорода по Бору В качестве последнего примера безуспешных попыток классической физики дать полную теорию физических явлений рассмотрим атом водорода. Согласно классической модели Резерфорда атом водорода состоит из одного электрона, вращающегося вокруг положительно заряженного малого атомного ядра. Эта классическая модель не смогла объяснить два основных экспериментальных факта: а) стабильность атома водорода б) структуру излучаемого им электромагнитного спектра. В основу теории, исходящей из ядерной модели атома и объясняющей его основные опытные свойства и, прежде всего устойчивость и дискретный спектр излучения, Н. Бор положил два постулата (принципа): 1. Постулат стационарных состояний[14] (орбит) – в атоме существуют некоторые особые стационарные состояния, находясь в которых электрон вращается вокруг ядра по круговым орбитам и не излучает, хотя и движется с ускорением (центростремительным). Этим постулатом Бор, не покушаясь на справедливость теоретических основ классической физики, допускает исключение из общего правила в виде особых состояний атома с круговыми орбитами электрона в них. Бор установил (догадкой) правило определения стационарных круговых орбит электрона – так называемое правило квантования орбит. Оно утверждает необходимость целочисленности в постоянных Планка момента импульса L электрона на этих орбитах, т. е.: L = mur = n , где m и u – масса и скорость электрона, r – радиус его орбиты, n – номер орбиты; - постоянная Планка. Правило частот. Излучение и поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое (при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую[15]). Частота излучения (поглощения) определяется из условия энергетического баланса: , где и - энергии электрона на m - ой и n - ой орбитах, соответственно. Процесс обратный излучению заключается в поглощении фотона с частотой nnm. В этом случае атом переходит из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией. Дискретность, квантованность энергетических уровней электрона в атоме (и атома в целом), гипотетически постулируемая Бором, получила свое убедительное экспериментальное подтверждение в опыте Франка и Герца в 1913 г. Пропуская электрический ток через лампу - триод, наполненную В математическом плане Бор при построении теории простейшего атома – атома водорода, Запишем и решим систему из двух уравнений для электрона в атоме с порядковым номером Z. Напомним, что у Бора Z = 1, что соответствовало атому водорода. здесь ; ; ; n = 1, 2, 3, … - номера орбит. Имеем систему двух уравнений с двумя неизвестными u и r. Избавимся от u, возведя второе уравнение в квадрат и поделив его на первое, в котором сократим r: Þ = . Полученное выражение для радиуса орбиты электрона в атоме указывает на дискретный, квантовый характер его значений. Для n = 1 и Z = 1 значение радиуса первой (невозбужденной) орбиты r1 = 0,53×10-10 м - хорошо совпадает с размером атома водорода. Скорость электрона также квантуется: , причем un ~ 1/n. Полная энергия электрона в атоме складывается из суммы кинетической и потенциальной: ; - энергия взаимодействия двух, разных по знаку, точечных зарядов – электрона и ядра. Для u << с: ; Полученное выражение для полной энергии электрона в атоме содержит набор отрицательных значений; это является свидетельством связанности состояния электрона в атоме – энергия связи (отрицательная) превышает энергию движения (положительную). При возрастании полной энергии до нуля электрон оказывается свободным, а атом ионизированным. С ростом номера и радиуса орбиты полная энергия электрона возрастает, оставаясь до уровня ионизации отрицательной. При n ® ¥ и Þ E = 0 – электрон отрывается от ядра, а атом превращается в положительный ион. Подставляя в выражение для полной энергии электрона ранее выражение для радиуса его орбиты, получаем формулу для полной энергии электрона: . Полная энергия Е электрона в атоме квантуется, т. е. имеет дискретный спектр. Для n = 1 (атом водорода) » -13,6 эВ; ; ; … Е¥ = 0. Энергетические уровни атома с ростом номера уровня сгущаются, и при n ® ¥ изменение энергии атома происходит почти непрерывно. Имеем переход к классической физике, выражаемый принципом соответствия[17] Бора. Разность энергий электрона на втором и первом энергетических уровнях называется энергией возбуждения атома: Ев = Е2 – Е1. Энергии возбуждения соответствует потенциал возбуждения Vв: Е = qеVв. Для водорода Ев = 10,2 эВ и Vв = 10,2 В. Разность энергий на бесконечно удаленной от ядра и первой орбитах называется энергией ионизации, т. е. отрыва электрона от атома; для водорода Еi = Е¥ – Е1 = - Е1 = 13,6 эВ. Энергия фотона, излучаемого при переходе электрона с m - ой на n - ую орбиты может быть записана в виде: Е = Еi(1/n2 – 1/m2). |
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-07-23 lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда... |