Атом Бора - материали за подготовка за изпита по физика
Теми на USE кодификатора: постулатите на Бор.
Планетният модел на атома, след като успешно интерпретира резултатите от експерименти за разсейване на частици, от своя страна се сблъска с много сериозни трудности.
Както знаем, всеки заряд, движещ се с ускорение, излъчва електромагнитни вълни. Това е безспорен факт от класическата електродинамика на Максуел, потвърден от множество наблюдения.
Също така много добре знаем, че електромагнитните вълни носят енергия. Следователно, ускорен движещ се заряд, излъчвайки се, губи енергия, която се отнася от това излъчване.
Сега нека вземем произволен електрон в планетарния модел. Той се движи около ядрото по затворена орбита, така че посоката на скоростта му постоянно се променя. Следователно електронът има известно ускорение през цялото време (например при равномерно движение около кръг, това ще бъде центростремително ускорение) и следователно трябва непрекъснато да излъчва електромагнитни вълни. Докато изразходва енергията си за радиация, електронът постепенно ще се приближи до ядрото; в крайна сметка, след като изчерпа напълно енергийните си запаси, електронът ще падне върху ядрото.
Ако изхождаме от факта, че нютоновата механика и електродинамиката на Максуел работят вътре в атома, и извършваме съответните изчисления, тогава получаваме много озадачаващ резултат: енергийната консумация на електрон за радиация (с последващото падане на електрона върху ядро) ще отнеме много малко време - от порядъка на секунда. През това време атомът трябва напълно да се „срине“ и да престане да съществува.
По този начин класическата физика предсказва нестабилността на атомите, подредени според планетарния модел. Това заключение е в дълбоко противоречие с опита: всъщност нищо подобно не се наблюдава. Обектите на нашия свят са доста стабилни и не се рушат пред очите ни! Атомът може да остане в невъзбудено състояние произволно дълго време, без да излъчва електромагнитни вълни.
Постулатите на Бор.
Оставаше да се признае, че добре известните закони на класическата физика престават да действат вътре в атомите. Микрокосмосът се подчинява на съвсем други закони.
Първият пробив в разбирането на законите на микросвета принадлежи на великия датски физик Нилс Бор. Той предложи три постулата, които рязко противоречат на механиката и електродинамиката, но въпреки това дават възможност да се опише правилно най-простият от атомите - водородният атом.
Класическата физика описва добре непрекъснати процеси - движение на материална точка, промяна в състоянието на идеален газ, разпространение на електромагнитни вълни. ... ... Енергията на обект, подлежащ на механика или електродинамика, по принцип може да приеме всякакви стойности. Линейните спектри обаче показват дискретност на процесите, протичащи вътре в атомите. Тази дискретност трябва да фигурира в законите на новата теория.
Първият постулат на Бор. Всеки атом (и като цяло всяка атомна система) може да не е във всички състояния с предварително определена енергийна стойност. Възможен е само дискретен набор от избрани състояния, наречени стационарни, при които енергията на атома придобива стойности.Попадайки в неподвижно състояние, атомът не излъчва електромагнитни вълни.
Както виждаме, първият постулат на Бор явно противоречи на класическата физика: налага се забрана за всякакви енергийни стойности, с изключение на избрания прекъснат набор, и се признава, че електроните, привидно движещи се с ускорение, всъщност не излъчват.
Изглежда фантастично, нали? През същата 1913 г. обаче, когато Бор предлага своите постулати, съществуването на стационарни състояния е потвърдено експериментално - в специално поставения експеримент на германските физици Франк и Херц. По този начин стационарните състояния не са измислица, а обективна реалност.
Разрешените зададени стойности се наричат енергийни нива на атома. Какво се случва, когато преминете от едно енергийно ниво на друго?
Вторият постулат на Бор. Ако атом преминава от неподвижно състояние с по-висока енергия в неподвижно състояние с по-ниска енергия, тогава разликата между тези енергии може да се освободи под формата на радиация. В този случай се излъчва фотон с енергия
Същата формула работи и за поглъщането на светлина: в резултат на сблъсък с фотон атомът преминава от състояние в състояние с по-висока енергия, докато фотонът изчезва.
Например на фиг. 1 показва излъчването на фотон по време на прехода на атом от енергийно ниво към ниво. Преходът се състои в това, че електронът „отскача“ от една орбита към друга, разположена по-близо до ядрото.
Фигура: 1. Излъчване на фотон от атом
Формула (1) дава качествена представа защо атомните емисионни и абсорбционни спектри са линейни.
Всъщност атомът може да излъчва вълни само от онези честоти, които съответстват на разликите в енергийните стойности на разрешения дискретен набор; съответно, наборът от тези честоти също е дискретен. Ето защо емисионният спектър на атомите се състои от отделно разположени остри ярки линии.
В същото време атом може да абсорбира не всеки фотон, а само такъв, чиято енергия е точно равна на разликата между някои две допустими стойности на енергия и. Преминавайки в състояние с по-висока енергия, атомите поглъщат абсолютно същите фотони, които са способни да излъчват по време на обратния преход в първоначалното състояние. По-просто казано, атомите вземат от непрекъснатия спектър онези линии, които самите те излъчват; ето защо тъмните линии на абсорбционния спектър на студен атомен газ се намират точно на тези места, където са разположени ярките линии на емисионния спектър на същия газ в нагрято състояние.