Ядерная модель атома

Первая модель атома была предложена в начале XX в. Э. Резерфордом, новозеландцем, работавшим в Англии. Он предполагал, что электроны движутся с большой скоростью по круговым орбитам вокруг ядра, подобно планетам по отношению к Солнцу. По представлениям классической электромагнитной теории, в таком атоме электрон должен приближаться по спирали к ядру, непрерывно испуская энергию. Через короткое время электрон неизбежно должен упасть на ядро.

Это очевидное несоответствие фактам было не единственным недостатком модели Резерфорда: плавное изменение энергии электронов в атоме не согласовывалось с появившимися наблюдениями над спектрами атомов. Одним из достижений второй половины XIX в. была разработка атомного спектрального анализа — точного и чувствительного метода, сыгравшего важнейшую роль в открытии новых элементов и послужившего экспериментальной основой изучения строения атомов. Метод основан на испускании света свободными атомами, получающимися при сильном нагревании вещества; при этом атомы переходят из основного состояния с минимальной энергией в возбужденные состояния с более высокими энергиями. Переходя снова в основное состояние, атомы испускают свет.

Оказалось, что атомные спектры испускания состоят из отдельных линий, отвечающих только определенным (дискретным) длинам волн (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема прибора для наблюдения спектра испускания атомарного водорода.

Под действием источника высокого напряжения происходит разряд в трубке (У), наполненной водородом. За счет энергии разряда из молекул Н₂ образуются возбужденные атомы, испускающие свет. Пластины со щелями (2) формируют узкий пучок света (J), падающий на призму (4), которая разлагает его на линии, обозначаемые а, р, у и 8 с длинами волн 656,3, 486,1,436,0 и 410,2 нм, соответственно, регистрируемые фотопластинкой (5).

Чтобы объяснить линейчатый (дискретный) характер атомных спектров и устойчивость атомов, знаменитый датский физик Нильс Бор предложил два постулата, выходящие за рамки классической физики.

• 1. Из бесконечного числа орбит, возможных с точки зрения классической механики, допустимы («разрешены») лишь определенные орбиты, по которым электрон движется не излучая.
• 2. Частота поглощаемого или испускаемого атомом излучения при переходе из одного разрешенного состояния в другое определяется разностью энергий этих состояний.

При этом Бор опирался на идею Макса Планка о квантовании энергии. Планк установил, что, хотя свет, испускаемый раскаленным телом, кажется сплошным, световая энергия поглощается или излучается отдельными порциями — квантами Е = hv, пропорциональными частоте (v) светового электромагнитного колебания. Коэффициент пропорциональности h = = 0,6252 • 10 ³⁴ Дж • с был назван постоянной Планка. Таким образом, в науку было введено понятие кванта света, или некоторого светового пакета — фотона, отражающее не только волновую, но и корпускулярную природу света.

Модель Бора позволила рассчитать точные значения энергии атома водорода и любых одноэлектронных ионов (Не*, Li²⁺ и т. д.), но оказалась непригодной для объяснения наблюдаемых энергетических характеристик атомов с двумя и более электронами; главный же ее недостаток заключался в том, что она не давала логического обоснования природы квантования и устойчивости не меняющихся во времени (стационарных) состояний атома. Однако, несмотря на эти недостатки, сами идеи Бора о квантовании и стационарных состояниях легли в основу современного описания строения атома с позиций квантовой механики.