Атомни системи. Основни положения в класическата атомна теория
Изтегляне 3.41 Mb.
|
- Навигация на страницата:
- Alhazen
- Augustin-Jean Fresnel
- James Clerk Maxwell
| Класическа механика:
Електронът при своето въртеливо движение според класическата механика изпитва една центробежна сила. Тази сила се дължи на факта, че естественото движение (инерциално) е праволинейното. Това естествено състояние противодейства на движението по окръжност и се подчинява на следната зависимост: Тук me е масата на електрона, v е неговата скорост, а r е радиуса до ядрото. Електронът, от друга страна се привлича от ядрото от електростатична кулонова сила и тази сила се уравновесява от центростремителна сила, според уравнението: Тук e е заряда на електрона, равен на заряда на ядрото, ke е Кулонова константа. От тук за скоростта при даден радиус може да се получи следното равенство: И за пълната енергия при даден радиус се получава: Пълната енергия е отрицателна и обратно пропорционална на радиуса r. Това означава, че е нужна енергия за да се откъсне електрон, т.е. колкото е по-далече електрона, толкова по-малка енергия е нужна за отделянето му. За r клонящо към безкрайност енергията ще е нула, което отговаря на едни електрон, който е далече от протона. Квантово теория: Ъгловият момент равен на L = mevr е в същото време е равен на ħ, умножено с едно цяло число n: Очевидно ħ = h/2π представлява порция ъглов момент, като ъгловият момент за дадено r се дава с горната формула. Като се замести израза за скоростта се получава един израз за r като функция на n: Така, че орбиталния радиус r, като функция на n е: Най-малката стойност на r се нарича радиус на Бор и е равна на: Енергията на n-та орбита, като функция на радиуса е равна на: Така, че енергията на най-ниската орбитала (ниво) n = 1 е равна на -13.6 eV. Следващото енергетично ниво (n = 2) е−3.4 eV. Третото (n = 3) е −1.51 eV, и т.н.. Колкото са по-високи стойностите на n, толкова по-високи стават енергиите (по-малки стойности, но със знак минус). Константите във Формула ХХ могат да бъдат заменени с така със следната обобщена константа (RE), по следната формула: Както беше постулирано по-горе за да премине от по-ниско ниво, към по-високо електронът поглъща електромагнитна енергия под формата на фотон, и обратно при излъчването на такава енергия той преминава от по-висока към по-ниска орбита. Разликата в енергиите ще бъде: Ако се приложи равенството на Планк: E=hν=ch/λ И се положи се получава формулата на Ридберг изведена от атомните спектри (виж по-горе), а R е RE / hc, и се нарича Ридбергова константа, открита още през 19-ти век на основата на спектроскопски данни. При nf = 1 имаме серията на Лайман, при nf = 2, серията на Балмер, при nf = 3, серияат на Пашен. Именно това успешно предсказване на формулата и константата на Ридберг и съответните серии, които дотогава не можеха да се обяснят теоретически позволиха на теорията на Бор да се утвърди. Тук трябва да се отбележи, че преди Бор, през 1910г. друг физика – австриецът Артур Ерих Хаас(20 април, 1884, -20 февруари, 1941) предлага подобен квантов модел, но статията му бива отхвърлена. 3.5.Развитие на теорията на Бор и недостатъци в теорията. По-нататък Бор се опитва да разшири този модел, към другите атоми с повече електрони и протони. Така се създава така нареченият слоест модел на атома, при който се отчита броят на протоните, а влиянието на другите електрони върху даден електрон се отчита, като екраниране, т.е., протоните при взаимодействието си с даден електрон са екранирани от другите електрони. Този модел обяснява редица свойства на атомите, най-вече подредбата им в Периодичната система на Менделеев. Го;яма заслуга в това отношение имат и работите на английският физик Мозли. Методът на Бор, обаче пропада да обясни редица други свойства на по-тежките атоми: 1.Теорията на Бор постулира, но не обяснява защо едни орбити са позволени, а други не. 2.Той не може да обясни по-фината структура на атомните спектри, за да преодолее този недостатък немският физик Зомерефелд постулира, че орбитите не са кръгови, а елептични, като въвежда ново квантово число – орбиталното квантово число l=0,1,..(n-1). 3 .Моделът на Бор не може да обясни още по-финото разцепване в магнитното поле, така наречения ефект на Зееман. За да бъде обяснен този феномен се въвежда ново прецисионно движение на орбитите и от там ново магнитно квантово число m=-1,(-l-1)…0, ..(l-1),l. 4.Методът не отчита момента на собствено въртене на електрона, така наречения спин на електрона. 5.Относителните интензивност на спектралните линии не могат правилно да бъдат изчислени. 6.Накрая методът на Бор нарушава принципът на неопределеността (по-късно въведен от Вернер Хайзенберг), тъй като едновременно определя и скоростта и местоположението на електрона. Съвременна квантово-механична теория за строежа на атома. Теория на Айнщайн за фотоефекта, Дуализъм (двойственост) частици-вълни, свойства на частиците и свойства на вълните, Теория на Дьо Бройл, Принцип на неопределеността на Хайзенберг. 4.1. Теория на Айнщайн за фотоефекта, П рез 1905г., като млад чиновник в Патентно бюро в Цюрих Айнщайн публикува 3 статии, всяка от които заслужава Нобелова награда. И наистина за едната от тях, в която се изследва фотоелектричния ефект получава наградата през 1921г. Фотоелектричният ефект е илюстриран на Фигура ХХ. Този ефект е изследван експериментално от немският физик Хайнрих Херц (Heinrich Hertz) и в началото се е наричал ефект на Херц. Както се вижда на Фигура ХХ светлината падайки върху метал избива електрони. До теорията на Айнщайн, съгласно теорията на Максуел а електромагнитното поле, се е считало, че светлината е електромагнита вълна. Наистина, 2 века преди Максуел, Нютон е предположил, че светлината се състои от частици, Енергията нужна за избиване на електрони, според тази теория трябва да е пропорционална на интензитета н вълната на попадащото лъчение. Но такава зависимост не се наблюдава. Напротив енергията за избиване на електрон зависи от честотата на вълната. Дейсъвително, интензитета зависи от броят на частиците, които ще избият електроните, от там по-големия интензитет предполага повече електрони и апаратурата регистрира по-силен ток. Обаче, енергията, която е нужна за избиване 1 или много електрони, зависи самот от честотата на електромагнитната вълна. Нещо, което е било неразбираемо за тогавашната физика. Тогава Айнщайн прави едно изключително неочаквано допускане. Според него светлината е едновременно електромагнитна вълна и поток от частици, които той по-късно нарича фотони. 4.2. Дуализъм (двойственост) частици-вълни, свойства на частиците и свойства на вълните, Разбира се този дуализъм (двойственост) може трудно да бъде представен нагледно. Той е в силно противоречие с нашето възприятие на заобикалящата ни реалност. Действително, каква е разликата между вълна и частица. Вълната е разлята по цялото пространство (виж Фигура ХХ), докато частицата е локализирана в изключително малък обем от това пространство. Вълновият процес е един периодичен (повтарящ се) процес. Н ай-простия вид вълна е синусоидалната, дадена на Фигура ХХ. Тя се подчинява на следната функция: където к се нарича вълнов вектор и е равен на Вижда се, че в този вектор фигурират следните величините λ и π. λ е дължината на вълната показана на Фигура ХХ, а π е константа, която е свързана със всеки периодичен процес. Н а Фигура ХХ е показан процеса на дифракция. А на Фигура ХХ процеса интерференция (наслагване на вълните) в случая на светлинни вълни преминаващи през паяжина. Именно тези свойства определят вълновият характер на даден процес. И сторически, този дуализъм на светлина се корени още при първите опити да се изясни нейната природа. Така холандският учен Християн Хюйгенс (14 април 1629 – 8 юли 1695) постулира, че светлината е вълна, която се движи в своеобразна среда наречена етер. П ротивно на този принцип, великият английски физик сър Айзък (Исак) Нютон, следвайки изследванията по оптика на арабско-персийския учен Алхазен (Alhazen, р. 965 в Басра – п. 1039 в Кайро), постулира, че светлината се състои от поток от малки частици, които той нарича корпускули. По-нататък английският учен Томас Юнг (Thomas Young -13 юни 1773 – 10 май 1829) демонстрира свойствата дифракция ( при един процеп-Фигура ХХ) и дифракция с интерференция (при два процепа Фигура ХХ). След него, френският учен Френел ( Augustin-Jean Fresnel 10 май 1788 – 14 юли 1827) математически потвърждава теорията на Хюйгенс и така се появява принципът на Хюйгенс-Френел. През 1864г.големият шотландски физик Максуел (James Clerk Maxwell, 13 юни 1831 – 5 ноември 1879) обединявайки електричното с магнитното поле математически показва, че светлината са колебания (вълни) на електромагнитното поле, което по-късно немският физик Херц, експериментално доказва, които се разпространяват с постоянна скорост с. Фактически, Айнщайн обединява в 1905г. двете противоречиви идеи – корпоскулярната на Алхазен-Нютон и вълновата на Хюйген-Френел-Юнг-Максуел. Така, вече са се натрупали доста идеи, които позволяват да се направи пробив в разбирането на строежа на атома, като се преодолеят недостатъците на планетарния модел на атома на Ръдърфорд. Идеята, за частиците, обаче идва от дълбоко древност. Така, както камъкът може да се раздроби на пясачинки, и другите материални обекти би трябвало да се състоят от частици. Основно свойство на частиците е, че те са локализирани в много малък обем на пространството, докато обратно вълните са разляти по цялото пространство. Така ние получаваме електромагнитни вълни от милиарди светлинни години (т.е., такива разстояния, те пътуват със скоростта на светлината =299 792 458 метра в секунда, милиарди години). Вижда се, че отъждествяването на тези две явления в един обект е трудно да бъде разбрано. В същата година Айнщайн публикува своята също трудно възприемаща се Теория на относителността. В нея той обединява времето и пространството (протяжността). Дотогава и времето и пространството са се считали, като една сцена на която се разиграват процесите в природата. Постоянството на скоростта на светлината в различни отправни системи, показана с опита на Майкелсон-Морли и стремежът за запазване на Принципът на относителността на Галилео Галилей, водят до създаването на тази теория. Оказва се, че както времето, така и пространството, зависят от скоростта на дадения обект. Като следствие на тази теория Айнщайн извежда своята прочута формула: Изтегляне 3.41 Mb. Сподели с приятели:
|