4. . Следствия из опытов Резерфорда.

Из опытов Резерфорда следует несколько важнейших выводов.

Во-первых то, что модель, предложенная Томпсоном несостоятельна.Во-вторых то что в атоме есть массивное образование- ядро, несущее весь положительный заряд и практически всю массу атома, а электроны вращаются вокруг него.

Но в тоже время из законов классической электродинамики Максвелла следует что электроны, вращаясь вокруг ядра с постоянным ускорением должны постоянно излучать электромагнитные волны и вследствии этого терять свою энергию и в конце концов "упасть" на ядро. Эта теория была названа теорией "Тепловой смерти вселенной".Само собой что эта теория несостоятельна и ничего подобного в реальности не происходит.Учёные были поставлены в тупик,на основе известных законов и теорий нельзя было обьяснить экспирементальные факты.И тогда физик Нильс Бор выдвинул свои знаменитые постулаты

Определение заряда ядра по методу Чедвика

Идея опыта Чедвика заключается в следующем. Рассеивающая фольга име­ет вид кольца АА / (рис. 61); препарат R и экран S из ZnS устанавливаются на одинаковом расстоянии r от AA'. Измеряется число а-частиц, рассеянных на один определенный угол θ), выбранный (для упрощения расчета) так, чтобы он был вдвое больше угла между осью RS и направлением лучей, идущих от R к фольге. Располагая внутри кольца между R и S экран, непрозрачный для а-частиц, можно было считать одни только рассеянные а-частицы; наоборот, закрывая экраном кольцо АА' можно было считать число частиц N в па­дающем пучке. Так как это число слишком велико для того, чтобы можно было непосредственно подсчитывать сцинтилля­ции первичных a-частиц на экране (например, для того, чтобы число сцинтилляций от рассеянных а-частиц составляло 30 в минуту, N должно быть равно 20 000 в минуту), то перед S рас­полагался вращающийся диск с узким вырезом, при помощи которого число сцинтилляций можно было произвольно умень­шать в любое число раз.

Таким путем Чедвик нашел следующие значения Z для платины, серебра и меди: Pl(78)— 77,4; Ag(47)— 46,3; Cu(29) —29,Зг Числа, стоящие в скобках после химических символов эле­ментов, означают номер места соответствующего элемента в пе­риодической системе Менделеева (атомный номер). Таким об­разом, опыты Чедвика показывают, что число элементарных положительных зарядов ядра равно атомному номеру соответствующего элемента. Это правило, подтвержденное другими исследователями для целого ряда элементов, сводит задачу об определении заряда ядра к точной фиксации атомных номеров всех элементов.

5. Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Резерфорд пришел к выводу, что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре в очень массивном и компактном ядре. А отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра. Эта модель коренным образом отличалась от широко распространенной в то время модели атома Томсона, в которой положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома, а электроны были вкраплены в него. Несколько позже модель Резерфорда получила название планетарной модели атома (она действительно похожа на Солнечную систему: тяжелое ядро - Солнце, а обращающиеся вокруг него электроны - планеты).

Альфа-частицы испускались источником, помещенным внутри свинцовой полости. Все альфа-частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пучок альфа-частиц попадал на фольгу из золота перпендикулярно к ее поверхности; альфа-частицы, прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею, вызывали вспышки (сцинтилляции) на экране, покрытым веществом, способным светиться при попадании частиц. В пространстве между фольгой и экраном обеспечивается достаточный вакуум, чтобы не происходило рассеяние альфа-частиц в воздухе. Конструкция прибора позволила наблюдать альфа-частицы, рассеянные под углом до 150 градусов.

Столкновениями или ударом называют любые кратковременные взаимодействия частиц (тел). После столкновения частицы в конечном состоянии могут отличаться по своим внутренним свойствам от частиц в начальном состоянии. В связи с этим различают упругие и неупругие столкновения. Выделяют три вида столкновения частиц: абсолютно неупругое, абсолютно упругое и промежуточный случай - неупругое.

В результате абсолютно неупругого столкновения обе частицы "слипаются" и далее движутся как единое целое. Пусть две частицы, массы которых и имеют в K-системе до столкновения скорости и . После столкновения образуется частица с массой , что прямо следует из аддитивности массы в ньютоновой механике. Скорость образовавшейся частицы можно найти сразу из закона сохранения импульса:

В результате абсолютно упругого столкновения внутренняя энергия частиц не меняется, а поэтому не меняется и кинетическая энергия системы. Рассмотрим два частных случая: центральное и нецентральное упругие столкновения.

При центральном столкновении обе частицы до и после столкновения движутся по одной и той же прямой, так как у обеих частиц скорости направлены вдоль прямой, соединяющей их центры масс. Нецентральное столкновение возникает, когда при столкновении скорость хотя бы одной из частиц не лежит на прямой, соединяющей их центры масс. Например, когда одна из частиц покоится до столкновения. Неупругое столкновение - это такое столкновение, в результате которого внутренняя энергия разлетающихся частиц или же одной из них изменяется, а, следовательно, изменяется и суммарная кинетическая энергия системы. Соответствующее приращение кинетической энергии системы можно обозначить через Q. В зависимости от знака Q неупругое столкновение называют экзоэнергетическим ( ) или эндоэнергетическим ( ). В первом случае кинетическая энергия системы увеличивается, во втором - уменьшается. При упругом столкновении .

Эффективные сечения реакций В физике микромира характеристиками вероятности процессов взаимодействия частиц и ядер являются дифференциальное и полное эффективные сечения реакций. Рассмотрим поток частиц А, падающих на мишень и вступающих во взаимодействие с частицами мишени В. Результатом реакции может быть как появление частиц А и В с другими кинематическими характеристиками, так и возникновение новых частиц. Дифференциальное эффективное сечение реакции в системе покоя мишени определяется как

Здесь -угол рассеяния, dN( )/d - число частиц, вылетевших под этим углом в единицу времени ( в секунду) в единичном телесном угле . I - величина потока частиц А, падающих на мишень. n - полное число частиц В в мишени, находящихся в пучке. Полное (или интегральное) эффективное сечение реакции является интегралом от (3.1) по углу рассеяния:

Размерность эффективного сечения реакции - см 2 . Поскольку эффективные сечения процессов микромира в единицах см2 представляют собой очень малые величины, они измеряются, как правило, в единицах 1 барн = 1 б =10 -24 см 2 .

6. Бальмеру удалось установить простое числовое соотношение, связывающее волновые числа линий в видимой части спектра водорода. В современной системе обозначений формула Бальмера имеет вид: Подобные цифровые закономерности, связывающие волновые числа в спектре водорода, были получены в ультрафиолетовой области Лайманом, в инфракрасной области – Пашеном, Брекеттом и Пфундом.

Первый постулат: Атомы имеют ряд стационарных состояний соответствующих определенным значениям энергий: Е1, Е2. En. Находясь в стационарном состоянии, атом энергии не излучает и не поглощает, несмотря на движение электронов. Второй постулат: В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам, для которых выполняется квантовое соотношение: m•V•r = n•h/2•p, где m•V•r =L - момент импульса, n=1,2,3. h-постоянная Планка. Третий постулат: Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или поглощается порция энергии (квант), равная разности энергий стационарных состояний, между которыми происходит переход: ε= h• ν= Em-En

Бо́ровская моде́ль а́тома (Моде́ль Бо́ра) — полуклассическая модель атома, предложенная Нильсом Бором За основу он взял планетарную модель атома Резерфорда. с точки зрения классической электродинамики, электрон в модели Резерфорда, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать непрерывно и очень быстро, потеряв энергию, упасть на ядро. Чтобы преодолеть эту проблему Бор ввел допущение, суть которого заключается в том, что электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, находясь на которых они не излучают, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. Причем стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка [1] : .

Используя это допущение и законы классической механики, а именно равенство силы притяжения электрона со стороны ядра и центробежной силы, действующей на вращающийся электрон, он получил следующие значения для радиуса стационарной орбиты и энергии находящегося на этой орбите электрона:

Здесь — масса электрона, Z — количество протонов в ядре, — диэлектрическая постоянная, e — заряд электрона. Именно такое выражение для энергии можно получить, применяя уравнение Шрёдингера, решая задачу о движении электрона в центральном кулоновском поле. Радиус первой орбиты в атоме водорода R0=5,2917720859(36)·10 −11 м [2] , ныне называется боровским радиусом, либо атомной единицей длины и широко используется в современной физике. Энергия первой орбиты эВ представляет собой энергию ионизации атома водорода.

Доказательство существования дискретной структуры энергетических уровней атомов. Потенциальная яма в физике, ограниченная область пространства, в которой потенциальная энергия частицы меньше, чем вне её. Характеристики П. я. — ширина (расстояние, на котором проявляется действие сил притяжения) и глубина (равная разности потенциальных энергий частицы на «краю» ямы и на её «дне», соответствующем минимальной потенциальной энергии). Основное свойство П. я. — способность удерживать частицу, полная энергия E которой меньше глубины ямы V0; такая частица внутри П. я. будет находиться в связанном состоянии. В классической механике частица с энергией E < V0 не сможет вылететь из П. я. и будет всё время двигаться в ограниченной области пространства внутри ямы; устойчивому равновесию отвечает положение частицы на «дне» ямы (оно достигается при кинетической энергии частицы Екин = E — V = 0). Если же E > V0, то частица преодолеет действие сил притяжения и покинет яму. Примером может служить движение упругого шарика, находящегося в поле сил земного притяжения, в чашке с пологими стенками. В квантовой механике, в отличие от классической, энергия частицы, находящейся в связанном состоянии в П. я., может принимать лишь определённые дискретные значения, т. е. существуют дискретные уровни энергии. Однако такая дискретность уровней становится заметной лишь для систем, имеющих микроскопические размеры и массы. По порядку величины расстояние ΔE между уровнями энергии для частицы массы m в «глубокой» яме ширины а определяется величиной ΔE

/ma 2 ( — Планка постоянная). Наинизший (основной) уровень энергии лежит выше «дна» П. я.. В П. я. малой глубины (Vo = /ma 2 ) связанное состояние может вообще отсутствовать (так, протон и нейтрон с параллельными спинами не образуют связанной системы, несмотря на существование сил притяжения между ними). Кроме того, согласно квантовой механике, частица, находящаяся в П. я. со «стенками» конечной толщины (типа кратера вулкана), может покинуть П. я. за счёт туннельного эффекта даже в том случае, если её энергия меньше высоты ямы. Форма П. я. и её размеры (глубина и ширина) определяются физической природой взаимодействия частиц. Понятие «П. я.» широко применяется в атомной и молекулярной физике, а также в физике твёрдого тела и атомного ядра.