На предыдущем уроке мы с вами
закончили изучение темы световые кванты
Мы теперь знаем, что свет
излучается, поглощается, да и просто существует в виде отдельных порций,
которые мы назвали квантами.
Но у нас остался открытым вопрос о
том, что является источником света?
Чтобы ответить на этот вопрос, нам
придется заглянуть вглубь атома.
Тема сегодняшнего урока
«____________________»
Наша задача – познакомиться с
экспериментальными фундаментальными и теоретическими работами, которые
способствовали созданию новой квантовой теории атома.
В начале 20 века утвердилась
ядерная, планетарная модель атома. С одной стороны эта модель неоспорима, ведь
она подтверждалась многочисленными экспериментами. Но с другой стороны эта
модель противоречила классической физике, т.к. обрекала атом на неустойчивость.
Как же быть? Очевидно для атома нужно создавать новую, неклассическую модель.
И первые шаги по созданию новой, квантовой модели атома были сделаны датским
физиком Нильсом Бором. В 1913 году Бор постулирует следующие утверждения:
1. Атомная
система может находиться в особых квантовых или стационарных состояниях,
каждому из которых соответствует энергия En. Находясь в этих квантовых
состояниях атом не излучает.
2. Излучение света
атомом происходит при переходе атома из состояния с большей энергией Ek в
состояние с меньшей энергией En. Причем, энергия излученного кванта света
равна разнице энергий hv=Ek- En
Каждый из постулатов Бора
противоречил классический физике: и то, что энергия не может изменяться
непрерывно, а квантуется, и то, что атомная система – электрон в квантовом
состоянии не излучает, двигаясь ускоренно, а процесс излучения с классической
точки зрения был вообще непонятен. Но ведь Бору нужно было как-то утверждать
устойчивость ядра. Конечно, может показаться несколько самонадеянным то, что
молодой Бор формулирует постулаты, которые противоречат и классической
механике Ньютона, и классической электродинамике Максвелла. Но Бор был молод и
смел, и кроме того он получил блестящее подтверждение своей теории для атома
водорода.
Давайте рассмотрим и зарисуем
диаграмму энергетических уровней атома водорода, которые рассчитал Бор.
Работа по рисунку в учебнике.
Атом водорода может находиться
только в особых квантовых состояниях, каждому из которых приписывается главное
квантовое число n (1, 2, 3,
..). состоянию с наименьшей энергией соответствует квантовое число 1. При этом
состоянии электрон находится ближе всего к ядру и энергия системы минимальна.
Для водорода она равна -13,6 эВ.
Состояние с наименьшей возможной
энергией называется основным состоянием атома. Все остальные состояния атома
называются возбуждёнными состояниями и они соответствуют удалению электрона от
ядра. Когда n стремится
к бесконечности, энергия связи ядра стремится к 0. Это состояние, когда
электрон превращается в свободную частицу, а атом водорода превращается в
положительный ион.
Нетрудно видеть из диаграммы, что
энергия перехода атома в ион, т.е. энергия ионизации атома, равна по модулю
энергии основного состояния атома. Положительные энергии соответствуют энергиям
свободного электрона. Здесь энергия меняется непрерывно, т.е. в свободном
состоянии энергия электрона не квантуется.
Итак, Бор просчитал эту диаграмму
энергетических состояний. А далее, в соответствии со своим 2 постулатом, он
смог рассчитать спектр излучения водорода. Как посчитать энергии или частоты
излучаемых фотонов? Надо рассмотреть всевозможные разности между
энергетическими уровнями. Что Бор и сделал. Расчетный спектр блестяще совпал с
экспериментально наблюдаемым. Для водорода в области УФ части спектра наблюдаются
линии, которые образуют так называемую серию Лаймана. Бор показал, что линии
этой серии образуются при переходе атома из возбужденного состояния на первый
энергетический уровень.
В видимой части спектра линии,
которые существуют у водорода, образуют серию Бальмера. Линии этой серии
образуются при переходе атома из возбужденного состояния на второй
энергетический уровень.
Наконец, в ИК области спектра
наблюдаются серии Пашена, Брекета, Пфунда и они соответствуют переходу атома на
3, 4 и 5 энергетические уровни.
Теперь подумайте, что будет
представлять собой спектр поглощения?
Постарайтесь сравнить спектр
излучения со спектром поглощения.
Поглощение – переход из состояния с
меньшей энергией в состояние с большей энергией. Поэтому спектры излучения и
поглощения должны полностью соответствовать друг другу.
Вопрос: есть атомы в 4
энергетическом состоянии. Попробуйте посчитать, сколько различных квантов может
излучить эта система при переходе в основное состояние. Итак, атомы переходят
из 4го в 1е энергетическое состояние (ответ 6 – показать на диаграмме).
Глядя на диаграмму, скажите, может
ли электрон в атоме водорода иметь энергию -20 эВ? (нет, наименьшая возможная –
13эВ). Минус 2эВ – может иметь? (нет – может принимать только разрешенные
значения энергии)
А энергию +2эВ? Да – энергия
свободного электрона не квантуется
Подводя итог, нужно сказать, что
Бор не смог рассчитать энергии состояний, диаграмму состояний ни для одного
химического элемента, кроме водорода. Потому что были сделаны только первые
шаги на пути создания новой квантовой теории. Но это были очень важные шаги.
Бор доказал, что атом живет по особым законам, законам, отличным от законов
классической физики. Дальше эстафету в создании новой теории атома подхватят
другие ученые Макс Борн, Луи де Бройль, Гейзенберг, Шредингер.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.