Элементы квантовой теории в современной школе

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Элементы квантовой теории в современной школе

1.1 Цели и задачи раздела программы квантовая физика в профильных классах общеобразовательной школы

1.2 Развитие взглядов на природу атома

1.3 Квантовые постулаты Бора. Атом водорода по Бору

1. Элементы квантовой теории в современной школе

1.1 Цели и задачи раздела программы квантовая физика в профильных классах общеобразовательной школы

Данный раздел является заключительным в школьном курсе физики. Он признан, систематизировать и обобщать огромный багаж знаний построению вещества, накопленных школьниками на протяжении всего физики и химии. В этом разделе должны быть раскрыты важные диалектические выводы о познаваемости мира, учащиеся должны получить представление об идеях квантовой теории. Одной из центральных методических задач, при изучении данного раздела является формирование у школьников понятия о дискретном характере изучения и поглощении света, и о значении квантовой теории в современной физике.

Последний раздел школьного курса физики оказывает влияние на воспитание и развития школьников. Для развития мышления широко используются такие приемы как сравнение, систиматезирование, классификация. Например, полезно предложить сравнивать свойства жидкости и ядра атома (модель жидкой капли).

Материал раздела предоставляет большие возможности для организации самостоятельной деятельности школьников Полезно широко использовать периодическую систему Менделеева и предложить учащимся самостоятельно определить состав ядер некоторых элементов на ее основе.

Так как данным разделом завершается весь курс физики, то он приобретает большое значение в формировании научного мировоззрения школьников, в раскрытии современной картины мира.

Особое значение при изучении этого направления приобретает проблема наглядности моделирования выступают графические образы, энергетические уровни, облако вероятности, потенциальная кривая. Это дает возможность повысить уровень абстрактного мышления школьников.

На изучения раздела квантовая физика в школьном курсе общеобразовательной школы отводится тридцать два часа по программе Мякишева Г.Я., в профилирующих классах отведено сорок шесть часов. Программа общеобразовательной школы усиливает внимание к вопросам квантовой физики, в профильных классах, этот раздел разделен на три темы. Первая тема "Cветовые кванты. Действие света. Корпускулярно-волновой дуализм". Центральной задачей этой темы является формирование у школьников понятия о дискретном характере излучения и поглощения энергии, о квантах света, о квантовой теории и ее значения в современной физике.

Изучение фотоэффекта, законов, которым подчиняется это явление, их объяснение на основе квантовой теории света, изучение химического действия света и его давления представляют большие возможности для развития понятия фотон (квант света), формирование которого было начато еще в курсе биологии VIII класса и в курсе химии Х класса, а также для раскрытия перед учащимися правомерности использование закона сохранения и превращение энергии применительно к объяснению световых явлений.

Одна из важнейших задач темы - ознакомление одиннадцатиклассников с применением явления фотоэффекта, в технике, химического действия света, с ролью фотосинтеза в природе и способами использования этого явления в интересах человека.

В процессе изучения квантовой оптики школьники убеждаются в том, что фотон - это не абстракция, позволяющая удобно описать оптические явления, а реальная частица.

В теме представляется возможным особенно ярко, полно показать школьникам взаимосвязь и взаимообогащение общефизических, релятивистских, квантовооптических и философских понятий - диалектически - противоречивый характер развития науки (на примере представлений о природе света); продемонстрировать школьникам особенности диалектического стиля мышления многих выдающихся ученых- физиков (М. Планк, А. Эйнштейн, А.Г. Столетов, К.А. Тимирязева и других.).

Ознакомление с жизнью и деятельностью выдающихся прогрессивных ученых, внесших свой вклад в раскрытие сложной природы света и закономерностей, которым подчиняются световые явления, помогают понять учащимся, что настоящий ученый это еще и общественный деятель. Ознакомление с дуализмом свойств света, убеждение в материальности его способствует формированию понятия о современной - полевой физической картине мира.

В мире атома вместо классических законов движения - законов Ньютона - действуют особые квантовые. В наиболее доступной и достаточно наглядной форме они выглядят в волновой теории де Бройля - Шредингера.

Как известно, 1923 году Луи де Бройль высказал гипотезу о волновых свойствах микрочастиц (электронов) : движению микрочастиц, имеющих импульс р, сопоставлена некая волна, характеризуемая соотношением де Бройля:

(2.1)

Где h-постоянная Планка, л-длина волны.

Эта идея была навеяна давно известной в физике аналогией Гамильтона между законами геометрической оптики и законами движения корпускул. С другой стороны, в современной оптике установлено единство корпускулярно - волновых свойств света: будучи электромагнитной волной, свет проявляет свойство корпускул (фотонов). Де Бройль предложил, что имеется аналогия не только между механикой и геометрической оптикой, но и между волновой оптикой и движением вещества: волновой оптике следует сопоставить некую волновую механику. Установленные для света отношения:

Е= h (2.2)

Де Бройль распространил и на частицы вещества. Так появилась формула де Бройля.

Корпускулярно - волновая идея де Бройля сформировалась не только под влиянием оптика - механической аналогии, но и в связи со странными для классической механики дискретными энергетическими состояниями электронов в атомах, установленными теорией Бора.

В этой теме изучаются также волновые свойства микрочастиц (электронов, нейтронов, атомов) подтверждены многочисленными опытами по наблюдению дифракционной и интерференционной картин, полученных от пучков частиц. В качестве дифракционных решеток в этих опытах применяются кристаллические тела так же, как и в опытах с рентгеновскими лучами. Возможно следующее распределение материала:

На изучение темы программой предусмотрено 13 часов. В соответствии с этим можно рекомендовать следующее распределение материала темы по урокам:

1-й урок. Понятие о квантовой теории (зарождение квантовой теории). Внешний фотоэффект. Вентильный фотоэффект Работы А.Г. Столетова по изучению фотоэффекта.

2-й урок. Законы фотоэффекта. Теория фотоэффекта Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Объяснение законов фотоэффекта на основе квантовой теории света.

3-й урок. Фотоны. Величины, характеризующие фотон. Опыты С.И. Вавилова по наблюдению флуктуации света.

4-й урок. Решение задач на уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

5-й урок. Элементарные акты взаимодействия фотонов с частицами вещества на примере взаимодействия фотонов с электронами.

6-й урок. Применение фотоэффекта. Фотоэлементы, их применение в автоматике.

7-й урок. Запись и воспроизведение звука оптическим методом.

8-й урок. Давление света. Опыты П.Н. Лебедева по обнаружению давления света.

9-й урок. Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля.

10-й урок Химическое действие света. Работы П.П. Лазарева по изучению химического действия света. Фотография, ее применение в научных исследованиях, техники и других областях жизни.

11-й урок. Решение задач. Фотосинтез.

12-й урок. Учебный семинар обобщающего характера по материалу тем' Световые кванты. Действия света ". "Корпускулярно-волновой дуализм"

13-й урок. Контрольная работа по темам Световые кванты. Действия света. Корпускулярно-волновой дуализм

Вторая тема, которая рассматривается в квантовой физике,- это "физика атома ". В данной теме систематизируются и обобщаются знания школьников по строению вещества, полученные на протяжении всего курса химии и физики, должны быть раскрыты диалектические выводы о качественном своеобразии законов микромира и их познаваемости, получены представления об идеях квантовой теории.

Состояние микрочастиц описываются в квантовой механике волновой функцией, квадрат модуля которой и определяет вероятность пребывания частицы в данном месте и в данное мгновение. Волновая функция вычисляется с помощью уравнения Шредингера.

Данная тема подводит итог в формировании научного мировоззрения школьников, обобщает связь химических свойств атомов со структурой электронных оболочек вещества, электрические и магнитные свойства вещества, а также линейчатый спектр атомов и спектральный анализ. Все эти факты и явления определяют то большое значение, которое имеет в современной науке учение о строении атома.

Изучение явлений на субатомном уровне раскрывает идею познаваемости природы и неисчерпаемости материи, формируя тем самым диалектическое мышления школьников.

На изучение программы в профильном классе предусмотрено 6 часов, в данной работе предлагается увеличить до 9 часов, так как эта тема дает возможность произвести количественные расчеты (постулаты Бора, опыт Томсона).

В соответствии с этим рекомендуется следующее распределение материала:

1-й урок. Повторение вопросов химии и физики, связанных со структурой атомов.

2-й урок. Открытие электрона. Модель атома Томсона, ее недостатки.

3-й урок. Строение атома. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома.

4-й урок. Лабораторная работа на тему опыты Резерфорда.

5-й урок. Недостатки планетарной модели. Квантовые постулаты Бора.

6-й урок. Решение задач по теме квантовые постулаты Бора.

7-й урок. Модель атома водорода по Бору. Стационарные состояния и их экспериментальное подтверждение.

8-й урок. Объяснение некоторых явлений на основе квантовых представлений.

9-й урок. Семинар на тему современная модель атома.

Третья тема, которая рассматривается в разделе квантовая физика - строение ядра, элементарные частицы, ядерный реактор. Квантовая природа микрочастиц проявляется и в ядерной физике. При описании ядерных явлений действует определенный набор чисел (так называемых магических), характеризующих структуру и свойства ядер. Вероятностный характер микропроцессов проявляется в статистическом законе радиоактивного распада.

На изучение темы программой предусмотрено 20 часов, возможно следующее распределение материала:

1-й урок. Методы наблюдения и регистрация частиц.

2-й урок. Радиоактивность.

3-й урок. Закон радиоактивного распада.

4-й урок. Решение задач на закон радиоактивного распада.

5- урок. Открытия нейтрона.

6-й урок. Свойства нейтрона и протона.

7-й урок. Состав ядра. Изотопы.

8-й урок. Энергия связи ядер.

9-й урок. Ядерные реакции.

10-й урок. Искусственная радиоактивность.

11-й урок. Энергетический выход ядерных реакций.

12-й урок. Реакция деления ядер.

13-й урок. Цепная реакция деления ядер.

14-й урок. Ядерный реактор. АЭС.

15-й урок. Решение задач по теме деление ядер.

16-й урок. Получение радиоактивных изотопов и использование их в сельском хозяйстве, промышленности, науке и медицине. Понятие о дозе излучения и биологической защите.

17-й урок. Что такое элементарная частица? Свойства элементарных частиц, методы их изучения.

18-й урок. Открытие позитрона, античастица. Распад нейтрона. Открытие нейтрино. квантовый физика радиоактивный

19-й урок Превращение частиц вещества в кванты поля и обратные превращения.

20-й урок. Обобщения по теме квантовая физика.

Остановимся более подробно на второй теме, в которой изучаются представления об атоме, модель Томсона, открытие электрона, опыты Резерфорда, планетарная модель атома, постулаты Бора, модель атома водорода по Бору- Зоммерфельду.

Эта тема в школьном курсе не раскрыта полностью, не освещены такие вопросы как открытие электрона (которое имеет большое значение для развития представлений о строении атома), изучается только два постулата Бора и не учитывается взаимосвязь между спектрами и строением атома, а также ничего не говориться о модернизации теории Бора. Следует рассказать основные открытия, которые внесли большой вклад в эволюцию представлений об атоме, а также о первых атомных моделях, рассказать о дальнейшем развитии представлений об атоме, и о современной модели атома.

1.2 Развитие взглядов на природу атома

Представления о строении атома радикально изменились в 20 в. под влиянием новых теоретических идей и экспериментальных данных. В описании внутреннего строения атомного ядра до сих пор остаются нерешенные вопросы, которые служат предметом интенсивных исследований. Историю возникновения самых общих представлений об атоме обычно ведут со времен греческого философа Демокрита (ок. 460 - ок. 370 до н. э.), много размышлявшего о наименьших частицах, на которые можно было бы поделить любое вещество. Группу греческих философов, придерживавшихся того взгляда, что существуют подобные крошечные неделимые частицы, называли атомистами. Греческий философ Эпикур (ок. 342-270 до н.э.) принял атомную теорию, и в первом веке до н.э. один из его последователей, римский поэт и философ Лукреций Кар, изложил учение Эпикура в поэме "О природе вещей", благодаря которой оно и сохранилось для следующих поколений. Аристотель (384-322 до н.э.), один из крупнейших ученых древности, атомистическую теорию не принимал, и его взгляды на философию и науку преобладали впоследствии в средневековом мышлении. Атомистической теории как бы не существовало до самого конца эпохи Возрождения, когда на смену чисто умозрительным философским рассуждениям пришел эксперимент.

В эпоху Возрождения начались систематические исследования в областях, именуемых ныне химией и физикой, принесшие с собой новые догадки о природе "неделимых частиц". Р. Бойль (1627-1691) и И. Ньютон (1643-1727) исходили в своих рассуждениях из представления о существовании неделимых частиц вещества. Однако ни Бойлю, ни Ньютону не потребовалось детальной атомистической теории для объяснения интересовавших их явлений, и результаты проведенных ими экспериментов не сказали ничего нового о свойствах "атомов".

Законы Дальтона. Первым действительно научным обоснованием атомистической теории, убедительно продемонстрировавшим рациональность и простоту гипотезы о том, что всякий химический элемент состоит из мельчайших частиц, явилась работа английского школьного учителя математики Дж. Дальтона (1766-1844), статья которого, посвященная этой проблеме, появилась в 1803.Дальтон изучал свойства газов, в частности отношения объемов газов, вступавших в реакцию образования химического соединения, например, при образовании воды из водорода и кислорода. Он установил, что отношения прореагировавших количеств водорода и кислорода всегда представляют собой отношения небольших целых чисел. Так, при образовании воды (H2O) в реакцию с 16 г кислорода вступают 2,016 г газообразного водорода, а при образовании пероксида водорода (H2O2) с 2,016 г водорода соединяются 32 г газообразного кислорода. Массы кислорода, реагирующие с одной и той же массой водорода при образовании этих двух соединений, соотносятся между собой как небольшие числа:

16:32 = 1:2.

На основе подобных результатов Дальтон сформулировал свой "закон кратных отношений". Согласно этому закону, если два элемента соединяются в разных пропорциях, образуя разные соединения, то массы одного из элементов, соединяющиеся с одним и тем же количеством второго элемента, соотносятся как небольшие целые числа. По второму закону Дальтона, "закону постоянных отношений", в любом химическом соединении соотношение масс входящих в него элементов всегда одно и то же. Большое количество экспериментальных данных, относящихся не только к газам, но также и к жидкостям и твердым соединениям, собрал Й. Берцелиус (1779-1848), который провел точные измерения реагирующих масс элементов для многих соединений. Его данные подтвердили сформулированные Дальтоном законы и убедительно продемонстрировали наличие у каждого элемента наименьшей единицы массы. Атомные постулаты Дальтона имели то преимущество перед абстрактными рассуждениями древнегреческих атомистов, что его законы позволяли объяснить и увязать между собой результаты реальных опытов, а также предсказать результаты новых экспериментов. Он постулировал, что 1) все атомы одного и того же элемента тождественны во всех отношениях, в частности, одинаковы их массы; 2) атомы разных элементов имеют неодинаковые свойства, в частности, неодинаковы их массы; 3) в соединение, в отличие от элемента, входит определенное целое число атомов каждого из составляющих его элементов; 4) в химических реакциях может происходить перераспределение атомов, но ни один атом не разрушается и не создается вновь. (В действительности, как выяснилось в начале 20 в., эти постулаты не вполне строго выполняются, т.к. атомы одного и того же элемента могут иметь разные массы, например водород имеет три такие разновидности, называемые изотопами; кроме того, атомы могут претерпевать радиоактивные превращения и даже полностью разрушиться, но не в химических реакциях, рассматривавшихся Дальтоном.) Основанная на этих четырех постулатах атомная теория Дальтона давала самое простое объяснение законов постоянных и кратных отношений.

Хотя законы Дальтона лежат в основе всей химии, ими не определяются фактические размеры и массы атомов. Они ничего не говорят о числе атомов, содержащихся в определенной массе элемента или соединения. Молекулы простых веществ слишком малы, чтобы их можно было взвесить по отдельности, поэтому для определения масс атомов и молекул приходится прибегать к косвенным методам. В 1811 А. Авогадро (1776-1856) выдвинул гипотезу, которая значительно упрощала анализ того, как из элементов образуются соединения, и устанавливала различие между атомами и молекулами. Его мысль состояла в том, что равные объемы газов, находящиеся при одинаковых температуре и давлении, содержат одно и то же число молекул. В принципе намек на это можно найти в более ранней работе Ж. Гей-Люссака (1778-1850), который установил, что отношение объемов газообразных элементов, вступающих в химическую реакцию, выражается целыми числами, хотя и отличными от отношений масс, полученных Дальтоном. Например, 2 л газообразного водорода (молекулы H2), соединяясь с 1 л газообразного кислорода (молекулы O2), образуют 1 л паров воды (молекулы H2O).

Истинное число молекул в данном объеме газа чрезвычайно велико, и до 1865 его не удавалось определить с приемлемой точностью. Однако уже во времена Авогадро проводились грубые оценки на основе кинетической теории газов. Очень удобной единицей измерения количества вещества является моль, т.е. количество вещества, в котором столько же молекул, сколько атомов в 0,012 кг самого распространенного изотопа углерода 12С. Один моль идеального газа при нормальных условиях (н.у.), т.е. стандартных температуре и давлении, занимает объем 22,4 л. Число Авогадро - это полное число молекул в одном моле вещества или в 22,4 л газа при н.у. Другие методы, такие, как рентгенография, дают для числа Авогадро N0 более точные значения, нежели полученные на основе кинетической теории. Значение, принятое в настоящее время, таково: 6,0221367Ч1023 атомов (молекул) в одном моле. Следовательно, в 1 л воздуха содержится примерно 3 1022 молекул кислорода, азота и других газов. Важная роль числа Авогадро для физики атома связана с тем, что оно позволяет определить массу и приблизительные размеры атома или молекулы. Поскольку масса 22,4 л газообразного H2 составляет 2,016 10-3 кг, масса одного атома водорода равна 1,67Ч10-27 кг. Если считать, что в твердом теле атомы расположены вплотную друг к другу, то число Авогадро позволит приближенно оценить радиус r, скажем, атомов алюминия. Для алюминия 1 моль равен 0,027 кг, а плотность - 2,7Ч103 кг/м ³. При этом имеем

откуда r » 1,6Ч10-10 м. Так первые оценки числа Авогадро дали представление об атомных размерах. Экспериментальные данные, связанные с образованием химических соединений, подтверждали существование "атомных" частиц и позволили судить о малых размерах и массе отдельных атомов. Однако реальная структура атомов, в том числе и существование еще меньших частиц, составляющих атомы, оставалась неясной до открытия Дж. Дж. Томсоном электрона в 1897. До той поры атом считался неделимым и различие в химических свойствах различных элементов не имело своего объяснения. Еще до открытия Томсона был выполнен ряд интересных экспериментов, в которых другие исследователи изучали электрический ток в стеклянных трубках, наполненных газом при низких давлениях. Такие трубки, названные трубками Гейсслера по имени немецкого стеклодува Г. Гейсслера (1815-1879), который первым начал изготовлять их, испускали яркое свечение, будучи подключены к высоковольтной обмотке индукционной катушки. Этими электрическими разрядами заинтересовался У. Крукс (1832-1919), который установил, что характер разряда в трубке меняется в зависимости от давления, и разряд полностью исчезает при высоком вакууме. Более поздние исследования Ж. Перрена (1870-1942) показали, что вызывающие свечение "катодные лучи" представляют собой отрицательно заряженные частицы, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем. Однако заряд и масса частиц оставались неизвестны, и было неясно, одинаковы ли все отрицательные частицы.

Огромной заслугой Томсона явилось доказательство того, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества. С помощью разрядной трубки особого типа, изображенной на рис. 1, Томсон измерил скорость и отношение заряда к массе частиц катодных лучей, позднее названных электронами. Электроны вылетали из катода под действием высоковольтного разряда в трубке. Через диафрагмы D и E проходили только те из них, что летели вдоль оси трубки. В нормальном режиме эти электроны попадали в центр люминесцентного экрана. (Трубка Томсона была первой "электронно-лучевой трубкой" с экраном, предшественницей телевизионного кинескопа.) В трубке находилась также пара пластин электрического конденсатора, которые, если на них подавалось напряжение, могли отклонять электроны. Электрическая сила FE, действующая на заряд e со стороны электрического поля E, дается выражением

FE = eE. (2.3)

Рис. 1. Трубка, использованная английским физиком Дж. Томсоном. для определения отношения заряда к массе для катодных лучей.

Кроме того, в той же области трубки с помощью пары катушек с током могло создаваться магнитное поле, способное отклонять электроны в противоположном направлении. Сила FH, действующая со стороны магнитного поля H, пропорциональна напряженности поля, скорости частицы v и ее заряду e:

FH = HeV (2.4)

Томсон отрегулировал электрическое и магнитное поля так, чтобы полное отклонение электронов было равно нулю, т.е. электронный пучок вернулся в первоначальное положение. Поскольку в этом случае обе силы FE и FH равны, скорость электронов дается выражением

V = E/H. (2.5)

Томсон установил, что эта скорость зависит от напряжения на трубке U и что кинетическая энергия электронов mv2/2 прямо пропорциональна этому напряжению, т.е. mv2/2 = eU (Отсюда термин "электрон-вольт" для энергии, приобретаемой частицей с зарядом, равным заряду электрона при ускорении разностью потенциалов 1 В.) Комбинируя это уравнение с выражением для скорости электрона, он нашел отношение заряда к массе:

(2.6)

Эти опыты позволили определить отношение e/m для электрона и дали приближенное значение заряда e. Точно величина e была измерена Р. Милликеном, который в своих опытах добивался, чтобы заряженные капельки масла висели в воздухе между пластинами конденсатора. В настоящее время характеристики электрона известны с большой точностью:



Таким образом, масса электрона значительно меньше массы атома водорода:

Эксперименты Томсона показали, что электроны в электрических разрядах могут возникать из любого вещества. Поскольку все электроны одинаковы, элементы должны различаться лишь числом электронов. Кроме того, малая величина массы электронов указывала на то, что масса атома сосредоточена не в них.

Масс-спектрограф Томсона. Вскоре и оставшуюся часть атома с положительным зарядом удалось наблюдать с помощью той же, хотя и модифицированной, разрядной трубки, позволившей открыть электрон. Уже первые эксперименты с разрядными трубками показали, что если катод с отверстием помещается посередине трубки, то через "канал" в катоде проходят положительно заряженные частицы, вызывая свечение люминесцентного экрана, расположенного в противоположном от анода конце трубки. Эти положительные "каналовые лучи" тоже отклонялись магнитным полем, но в направлении, противоположном электронам.

Томсон решил измерить массу и заряд этих новых лучей, также используя для отклонения частиц электрическое и магнитное поля. Его прибор для изучения положительных лучей, "масс-спектрограф", схематически изображен на рис. 2. Он отличается от прибора, представленного на рис. 1, тем, что электрическое и магнитное поля отклоняют частицы под прямым углом друг к другу, а потому "нулевое" отклонение получить не удается. Положительно заряженные атомы на пути между анодом и катодом могут потерять один или несколько электронов, и по этой причине могут ускоряться до различных энергий. Атомы одного типа с одинаковыми зарядом и массой, но с некоторым разбросом конечных скоростей, вычертят на люминесцентном экране или фотопластинке кривую линию (отрезок параболы). При наличии атомов с различной массой более тяжелые атомы (с тем же зарядом) будут отклоняться от центральной оси слабее, чем более легкие. На рис. 3 приведена фотография парабол, полученных на масс-спектрографе Томсона. Самая узкая парабола соответствует самому тяжелому однократно ионизованному атому (атому ртути), у которого выбит один электрон. Две самые широкие параболы соответствуют водороду, одна - атомарному H+, а другая - молекулярному H2+, причем оба однократно ионизованы. В некоторых случаях теряются два, три и даже четыре заряда, однако атомарный водород никогда не наблюдался ионизованным более чем однократно. Данное обстоятельство было первым указанием на то, что в атоме водорода только один электрон, т.е. это самый простой из атомов.

Рис. 2. масс-спектрограф, использовавшийся Томсоном для определения относительных значений массы различных атомов по отклонению положительных лучей в магнитном и электрическом полях.



Рис. 3.Масс-спектры.

Фотоснимки с распределением ионизованных атомов пяти веществ, полученные в масс-спектрографе. Чем больше масса атомов, тем меньше отклонение.

Другие доказательства сложной структуры атома. В то самое время, когда Томсон и другие исследователи экспериментировали с катодными лучами, открытие рентгеновского излучения и радиоактивности принесло дополнительные доказательства сложной структуры атома. В 1895 В. Рентген (1845-1923) случайно обнаружил таинственное излучение ("Х-лучи"), проникавшее сквозь черную бумагу, которой он оборачивал трубку Крукса при исследовании зеленой люминесцирующей области электрического разряда. Х-лучи вызывали свечение удаленного экрана, покрытого кристаллическим платиноцианидом бария. Рентген выяснил, что различные вещества разной толщины, введенные между экраном и трубкой, ослабляют свечение, но не гасят его полностью. Это свидетельствовало о чрезвычайно высокой проникающей способности Х-лучей. Рентген установил также, что эти лучи распространяются прямолинейно и не отклоняются под действием электрических и магнитных полей. Возникновение такого невидимого проникающего излучения при бомбардировке электронами различных материалов было чем-то совершенно новым. Было известно, что видимый свет от трубок Гейсслера состоит из отдельных "спектральных линий" с определенными длинами волн и, значит, связан с "колебаниями" атомов, имеющими дискретные частоты. Существенная особенность нового излучения, отличавшая его от оптических спектров, помимо высокой проникающей способности, состояла в том, что оптические спектры элементов с последовательно возраставшим числом электронов полностью отличались друг от друга, тогда как спектры X-лучей очень незначительно изменялись от элемента к элементу.

Еще одним открытием, имеющим отношение к строению атома, было то, что атомы некоторых элементов могут спонтанно испускать излучение. Это явление было обнаружено в 1896 А. Беккерелем (1852-1908). Беккерель открыл радиоактивность, используя соли урана в процессе изучения люминесценции солей под действием света и ее связи с люминесценцией стекла в рентгеновской трубке. В одном из опытов наблюдалось по чернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу и находившейся около урановой соли в полной темноте. Это случайное открытие стимулировало интенсивные поиски других примеров естественной радиоактивности и постановку опытов по определению природы испускаемого излучения. В 1898 П .Кюри (1859-1906) и М .Кюри (1867-1934) обнаружили еще два радиоактивных элемента - полоний и радий. Э. Резерфорд (1871-1937), исследовав проникающую способность излучения урана, показал, что имеются два типа излучений: очень "мягкое" излучение, которое легко поглощается веществом и которое Резерфорд назвал альфа- лучами, и более проникающее излучение, которое он назвал бета лучами. Бета- лучи оказались тождественными обычным электронам, или "катодным лучам", возникающим в разрядных трубках. Альфа- лучи, как выяснилось, имеют такие же заряд и массу, как и атомы гелия, лишенные двух своих электронов. Третий тип излучения, названный гамма- лучами, оказался сходен с X-лучами, но обладал еще большей проникающей способностью. Все эти открытия ясно показали, что атом не является "неделимым". Он не только состоит из более мелких частей (электронов и более тяжелых положительных частиц), но эти и другие субчастицы, по-видимому, самопроизвольно испускаются при радиоактивном распаде тяжелых элементов. Кроме того, атомы не только испускают излучение в видимой области с дискретными частотами, но и могут так возбуждаться, что начинают испускать более "жесткое" электромагнитное излучение, а именно X-лучи. Модель атома Томсона. Дж. Томсон, внесший огромный вклад в экспериментальное изучение строения атома, стремился найти модель, которая позволила бы объяснить все его известные свойства. Поскольку преобладающая доля массы атома сосредоточена в его положительно заряженной части, он принял, что атом представляет собой сферическое распределение положительного заряда радиусом примерно 10-10 м, а на его поверхности находятся электроны, удерживаемые упругими силами, позволяющими им колебаться (рис. 4). Суммарный отрицательный заряд электронов в точности компенсирует положительный заряд, так что атом электрически нейтрален. Электроны находятся на сфере, но могут совершать простые гармонические колебания относительно положения равновесия. Такие колебания могут происходить лишь с определенными частотами, которым соответствуют узкие спектральные линии, наблюдающиеся в газоразрядных трубках. Электроны можно довольно легко выбить с их позиций, в результате чего возникают положительно заряженные "ионы", из которых состоят "каналовые лучи" в опытах с масс-спектрографом. X-лучи соответствуют очень высоким обертонам основных колебаний электронов. Альфа- частицы, возникающие при радиоактивных превращениях, - это часть положительной сферы, выбитая из нее в результате какого-то энергичного разрывания атома.



Рис. 4. Атом, согласно модели Томсона.

Электроны удерживаются внутри положительно заряженной сферы упругими силами. Те из них, которые находятся на поверхности, могут довольно легко "выбиваться", оставляя ионизованный атом.

Однако эта модель вызывала ряд возражений. Одно из них было связано с тем, что, как обнаружили спектроскописты, измерявшие линии испускания, частоты этих линий не являются простыми кратными низшей частоты, как должно быть в случае периодических колебаний заряда. Вместо этого они сближаются с увеличением частоты, как если бы стремились к пределу. Уже в 1885 И. Бальмеру (1825-1898) удалось найти простую эмпирическую формулу, связывающую частоты линий видимой части спектра водорода:

(2.7)

где n - частота, c - скорость света (3Ч108 м/с), n - целое число и RH - некий постоянный множитель. Согласно этой формуле, в данной серии спектральных линий водорода должны отсутствовать линии с длиной волны l меньше 364,56 нм (или с более высокими частотами), отвечающей n = Ґ. Так оно и оказалось, и это стало серьезным возражением против модели атома Томсона, хотя и делались попытки объяснить расхождение различием упругих возвращающих сил для разных электронов. Исходя из модели атома Томсона, было также крайне трудно объяснить испускание атомами рентгеновского или гамма-излучения. Затруднения в модели атома Томсона вызвало и отношение e/m заряда к массе для атомов, потерявших свои электроны ("каналовых лучей"). Самый простой атом - атом водорода с одним электроном и сравнительно массивной сферой, несущей один положительный заряд. Значительно раньше, в 1815, У. Праут высказал предположение, что все более тяжелые атомы состоят из атомов водорода, и было бы понятно, если бы масса атома возрастала пропорционально числу электронов. Однако измерения показали, что отношение заряда к массе для разных элементов неодинаково. Например, масса атома неона примерно в 20 раз больше массы атома водорода, тогда как заряд составляет лишь 10 единиц положительного заряда (у атома неона 10 электронов). Дело обстояло так, как если бы положительный заряд имел переменную массу или же электронов было действительно 20, но 10 из них находились внутри сферы. Опыты Резерфорда по рассеянию. Затем возникла еще одна трудность. В 1903 Ф. Ленард (1862-1947) ставил опыты с прохождением пучка быстрых электронов сквозь тонкие металлические фольги. В модели атома Томсона почти все пространство заполнено веществом (положительно заряженной частью атома), а потому можно было думать, что сквозь фольгу сможет проникать лишь очень мало электронов. Ленард же обнаружил, что сквозь фольгу проходят почти все электроны. Хотя в эксперименте имелись трудности, связанные с малой массой бомбардирующих частиц, Ленард выдвинул предположение, что масса атома сосредоточена в "динамиде" - его центральной области, значительно меньшей, чем предполагалось.

Решающий эксперимент, совершенно изменивший представления о пространственной структуре атома, был проведен Э. Резерфордом и его сотрудниками Х. Гейгером (1882-1945) и Э. Марсденом (1889-1970). Вместо электронов они использовали альфа- частицы, т.к. благодаря своей большей массе (в 7350 раз больше массы электрона) эти частицы не претерпевают заметного отклонения при столкновении с атомными электронами, что позволяет регистрировать только столкновения с положительной частью атома. В качестве источника альфа- частиц был взят радий, а частицы, претерпевавшие рассеяние в тонкой металлической фольге, например золотой, регистрировались по "сцинтилляционным" вспышкам на экране из сульфида цинка, находящемся в затемненной комнате. Схема опыта представлена на рис. 5.

Рис. 5. Рассеяние альфа-частиц. Используя прибор такого типа с альфа- частицами, испускаемыми радием, Э. Резерфорд установил, что, хотя основная часть частиц проходит сквозь золотую фольгу, на большие углы рассеивается больше частиц, чем должно быть в соответствии с томсоновской моделью атома. Это было истолковано как указание на то, что в центре атома находится малое ядро.

Согласно модели Томсона, практически все альфа- частицы должны оказываться в пределах очень малого угла относительно своего первоначального направления, поскольку большую часть времени они должны были бы проходить в области почти равномерно распределенного положительного заряда. Хотя результаты Резерфорда согласовались с ожидаемым распределением в области малых отклонений, было зарегистрировано очень много отклонений на углы, гораздо большие, чем предсказывала модель атома Томсона. Столь большие отклонения можно было объяснить лишь тем, что положительная "сердцевина" атома значительно меньше размеров его электронной структуры и, следовательно, альфа- частицы могут очень близко подходить к этой малой положительной сердцевине, встречая при этом очень большие кулоновские силы. Опыты Резерфорда убедительно показали, что весь атом, кроме очень малой массивной сердцевины, или "ядра", как и предполагал Ленард, почти полностью пуст. Исходя из полученных им экспериментальных данных, Резерфорд заключил, что диаметр ядра атома золота составляет не более 6?10-15 м - значение, довольно близкое к современному. Резерфорду удалось, упрощенно рассматривая ядро как точечный центр рассеяния, на основе только электростатики и механики Ньютона вывести формулу для углового распределения рассеянных частиц. Между альфа- частицей с массой M и зарядом 2e, где e - заряд электрона, и ядром с зарядом Ze, где Z - атомный номер элемента, из которого состоит рассеивающее вещество, действует сила электростатического отталкивания 2Ze2/r2, где r - расстояние между зарядами. Угол ?, на который происходит рассеяние, зависит от параметра столкновения p, т.е. минимального расстояния, на котором частица прошла бы мимо ядра, если бы не отклонилась. Как видно из рис. 6, наибольшему углу отклонения отвечает наименьший параметр столкновения. Доля альфа- частиц, отклоняющихся на угол ? и более, дается выражением

(2.8)

где n - число атомов в 1 см 3, t - толщина фольги, M и v - масса и скорость альфа- частицы и Z - заряд ядра. Этот закон рассеяния Резерфорда чаще записывают в виде доли частиц df, которая рассеивается в телесный угол w--в интервале углов от j до j + j:

Рис. 6. Рассеяние альфа-частиц. а - томсоновская модель атома; б - резерфордовская модель атома с малым плотным ядром.

(2.9)

Эти выражения получили количественное подтверждение для широкого диапазона углов и разных рассеивающих материалов и позволили измерить заряд ядра. В приложении предложена лабораторная работа по рассеиванию частиц, которую я рекомендую выполнять в профильных классах, при изучении данной темы. Резерфордовская, или ядерная, модель атома, вытеснив томсоновскую модель, явилась важным этапом на пути создания квантовой механики. Детальные эксперименты, выполненные Гейгером и Марсденом в 1913, не оставили и тени сомнения в том, что картина атома с малым массивным ядром в центре электронной структуры значительно больших размеров верна не только качественно, но и количественно. Некоторые детали, перенесенные из томсоновской модели, такие, как существование в ядре электронов, позднее также были отброшены. Основываясь на своих исследованиях, Резерфорд в 1911 г. предложил новую, "планетарную" модель, уподоблявшую атом солнечной системе. В центре должно находиться очень маленькое положительно заряженное ядро, заключающее в себе почти всю массу атома, а вокруг ядра - располагаться электроны, число которых определяется значением положительного ядра. Можно сделать выводы; 1.Атом имеет положительное заряженное ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома. 2.В ядре сконцентрирована почти вся масса 3.Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему атома.

Рис.7 Падение электрона на ядро.

Однако подобная система может быть устойчивой только в том случае, если электроны движутся, так как иначе они упали бы на ядро. Следовательно, электроны атома должны находиться приблизительно в таком же движении вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. В планетарной модели, таились внутренние противоречия. Действительно, по представлениям классической электродинамики (Максвелла) вращающийся вокруг ядра электрон должен был непрерывно излучать энергию в виде электромагнитного излучения. Отсюда вытекали два важных следствия: 1. Из-за постоянного излучения энергии радиус орбиты электрона должен последовательно уменьшаться, в конце концов, электрон должен упасть на ядро, что привело бы к уничтожению атома как такового. 2. Вследствие постепенного изменения скорости вращения электрона электромагнитное излучение атома должно состоять из непрерывного ряда лучей различных длин волн. Иначе говоря, спектр водорода может быть сплошным, т. е. содержать линии, соответствующие всевозможным длинам волн. Ни то, ни другое следствие не оправдывается: самоуничтожения атомов водорода не происходит, а видимый спектр этого элемента состоит из ряда отдельных линий, соответствующих некоторым определенным длинам волн, как это видно из рис 8

Голубой фиолетовый 500 550 450 400 350 нм

Рис. 8.Видимый спектр водорода (серия Бальмера).

Таким образом, либо планетарная модель, либо классическая теория должна была быть неправильна. На самом деле в серьезных поправках нуждались и та, и другая.

1.3 Квантовые постулаты Бора. Атом водорода по Бору

Выход из затруднительного положения был найден Н. Бором в 1913г на пути дальнейшего развития квантовых представлений о процессах в природе. Эйнштейн оценивал проделанную Бором работу как высшую музыкальную область мысли, всегда его поражавшую. Основываясь на разрозненных опытных фактах, Бор с помощью гениальной интуиции правильно предугадал сущность дела. Последовательной теории атома Бор, однако, не дал. Он в виде постулатов сформулировал положения новой теории. Причем и законы классической физики не отвергались им безоговорочно. Новые постулаты скорее налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые классической физикой движения. Успех теории Бора был, тем не менее, поразительным, и всем ученым стало ясно, что Бор нашел правильный путь развития теории. Этот путь привел в последствии к созданию стройной теории движения микрочастиц - квантовой механики.

Н. Бор (1885-1962) работал в 1912-1913 у Резерфорда, когда тот проводил опыты по рассеянию, и вернулся в 1913 в Копенгаген с множеством новых идей. Требовал своего объяснения ряд явлений, помимо только что открытых в "ядерных" экспериментах по рассеянию. Теперь, когда была отвергнута томсоновская модель атома, узкие, дискретные спектральные линии в излучении разрядных трубок и эмпирические закономерности в их частотах казались еще менее понятными. Был и другой атомный эффект, открытый в 1887 Г. Герцем (1857-1894), а именно фотоэффект. Суть его в том, что свет, падающий на свежеочищенную поверхность металла, выбивает из нее электроны, если частота света достаточно высока. Для каждого металла имеется своя пороговая частота. Опыты показали, что тормозящее электростатическое поле, уменьшающее до нуля ток фотоэлектронов, не зависит от интенсивности света, но зависит от его длины волны. Электромагнитная теория, согласно которой свет представляет собой электромагнитные волны, оказалась не в состоянии объяснить это, поскольку по этой теории для испускания электрона с любой скоростью атому нужно только достаточно долго поглощать энергию.

В 1905 А. Эйнштейн (1879-1955) предложил объяснение фотоэффекта, которое полностью согласовалось с экспериментальными данными, но требовало коренного пересмотра существовавшей концепции света как волнового процесса. Эйнштейн предположил, что свет переносит энергию порциями, которые называются фотонами или квантами света, причем их энергия дается выражением E = hn, где n - частота света, а h - "постоянная Планка", равная 6,626Ч10-34 ДжЧс. Попадая на поверхность металла, фотон передает всю свою энергию электрону. Поскольку электрон связан с поверхностью электростатическими силами, ему для вылета необходима энергия W ("работа выхода"), а остальная часть полученной электроном энергии превращается в его кинетическую энергию, т.е. h? = W + 1/2mv2. Гипотеза Эйнштейна объясняла, почему кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света, а число испускаемых электронов - от его интенсивности. Как часто происходит с научными открытиями, оказалось, что гипотеза "квантов" Эйнштейна имеет в своей основе более раннюю теорию. М. Планк (1858-1947) первым привлек идею квантования для объяснения наблюдаемого спектрального состава излучения нагретых тел. Ему удалось объяснить спектр, предположив, что гармонические осцилляторы поглощают и излучают лишь дискретные порции энергии h?. Бор блестяще применил квантовую гипотезу к описанию орбит электронов в атомах и их излучения. Он отбросил идею о том, что электроны ведут себя подобно осцилляторам, а вместо этого представил динамику атома в виде движения электронов по орбитам вокруг ядра, наподобие движения планет по орбитам вокруг Солнца. Бор сформулировал постулаты, в которые модель атома Резерфорда согласовывалась с экспериментальными фактами (стабильность атома, дискретный характер излучаемой и поглощаемой им энергии).

Первый постулат стационарных орбит.

I. Атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еn, в стационарном состоянии атом не излучает.

Постулат требует пояснений: энергия атома квантуется, то есть принимает ряд дискретных значений. Наименьшей энергий атом обладает тогда, когда электрон находиться на ближайшей к ядру орбите. Чем больше радиус орбиты, тем большая энергия соответствует стационарному состоянию. Излучение возникает только при переходе электрона с одной квантованной орбиты на другую. Этот постулат находиться в явном противоречии с классической физикой, согласно которой энергия движущихся электронов может быть любой. Противоречит он и электродинамики Максвелла, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн.

Второй постулат Бора

II. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается фотон с энергией hn, равной разности энергии стационарных состояний. Частота этого излучения определяется изменением полной энергии, т.е. разностью энергий атома в начальном и конечном состояниях:

hn = E2 - E1., (2.10)

где 1и 2 номер стационарных состояний. При Е 2 >E1 происходит излучение фотона, а при E2 < E1 - происходит его поглощение. Эти условия квантования энергии приводят к дискретным орбитам электронов. Частота колебаний, соответствующая испускаемому (или поглощаемому) кванту излучения, определяется формулой

(2.11)

Постулат обосновывает квантовый характер излучения, который был предложен Планком, и доработан Эйнштейном.

Здесь также существует противоречие электродинамике Максвелла, так как согласно этому постулату излученного света свидетельствует не об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома. Третий постулат

При изложении теории Бора возникает вопрос, нужно ли знакомить школьников с правилами квантования орбит, третьим постулатом Бора. Так как данный материал предлагается для профильных классов, то школьники уже знакомы с понятием момент импульса. Но для общеобразовательных классов понятие момента импульса не знакомо, поэтому его лучше осветить следующим образом: При движении электрона по круговой орбите модуль его импульса и радиус орбиты остается неизменным. Следовательно, постоянной будет и величина. В классической механике величина называется моментом импульса - это векторная физическая величина. При вращении по орбите радиуса r частица массой m, движется со скоростью V,вектор момента импульса связан с направлением вращения правилом буравчика.

Далее Бор обратил внимание на то, что размерность момент импульса совпадает с размерностью постоянной Планка

().

Будучи уверенным, в том, что постоянная Планка h должна играть важную роль в теории атома, он постулировал еще и правило квантования орбит: в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, имеет дискретное, квантовое значение момента импульса:

(2.12)

Это и есть правило квантования, третий постулат.

В стационарных состоянии электрон может двигаться только по такой (разрешенной) орбите, радиус которой удовлетворяет условию

(2.13)

По предложению Бора, спектр энергий электронов в атоме является дискретным, т. е. электроны характеризуются не непрерывными значениями своих координат, импульсов и энергий, как это происходит в классической физике, а могут находиться только в строго определенных состояниях с фиксированными значениями этих величин. Это предположение возникло как естественное распространение квантовых представлений о природе электромагнитного излучения на поведение электронов в атоме. Далее Бор применил свои постулаты для объяснения свойств атома водорода. Основная задача состояла в нахождении частот электромагнитных волн, излучаемых водородом.

Модель эта была разработана на основе следующих положений. 1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по всевозможным орбитам, а лишь по некоторым определенным. На таких "дозволенных" орбитах он вращается, не излучая энергии. 2. Ближайшая к ядру орбита соответствует наиболее устойчивому ("нормальному") состоянию атома (основное состояние атома -состояние с минимальной энергией). При сообщении атому энергии извне электрон может перейти на одну из более удаленных орбит, причем запас его энергии будет тем больше, чем дальше от ядра орбита, на которую он переходит, такой электрон находится на более высоком энергетическом уровне. Атом, содержащий электрон на одном из высоких энергетических уровней, в отличие от нормального, называют "возбужденным". 3. Поглощение и излучение атомом энергии имеет место только при скачке электрона с одной орбиты на другую. При этом разность энергий начального () и конечного () состояний воспринимается или отдается в виде кванта лучистой энергии (фотона), отвечающего излучению с частотой колебаний, определяемой возможным соотношением (2.10).

Изложенные представления позволили вычислить радиусы различных "дозволенных" квантовыми условиями орбит электрона в атоме водорода. Условие квантования дает связь между скоростью электрона и радиусом разрешенной орбиты. Второй закон Ньютона и закон Кулона тоже связывают радиус и скорость электрона. Если скомбинировать эти два условия- классическое и квантовое,- то мы получим строго определенные радиусы разрешенных орбит.

...