Страница 41 из 57
При движении по стационарным орбитам электрон не излучает и не поглощает энергии. Таким образом, Бор предположил, что электрон в атоме не подчиняется законам классической физики. Согласно Бору, излучение или поглощение энергии определяется переходом из одного состояния, например, с энергией Е1, в другое — с энергией Е2, что соответствует переходу электрона с одной стационарной орбиты на другую.
При таком переходе излучается или поглощается энергия δЕ = Е1 - Е2 = hn , где п — частота излучения, h = 2рħ = 6,62-10-34 Дж с. Бор, используя это уравнение, рассчитал частоты линий спектра атома водорода, которые хорошо согласовались с экспериментальными значениями, но было обнаружено также и то, что для других атомов эта теория не давала удовлетворительных результатов.
Квантовая модель строения атома В последующие годы некоторые положения теории Бора были переосмыслены и дополнены. Наиболее существенным нововведением явилось понятие об электронном облаке, которое пришло на смену понятию об электроне только как частице. В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения: 1.Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу.
Он может вести себя и как частица, и как волна: подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона 1 и его скорость v связаны соотношением де Бройля: 1 = ħ/mv 2. Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость.
Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. На соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, основывается квантово-механическое описание микромира. Математическим выражением принципа неопределенности служит соотношение: δх m δv > ħ /2, где δх — неопределенность положения координаты, δv — погрешность измерения скорости. 3.
Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью. 4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название — нуклоны).
Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу. Последнее положение было сформулировано после того, как в 1920 г. Э. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик — нейтрон. Различные виды атомов имеют общее название — нуклиды. Нуклиды достаточно характеризовать любыми двумя числами из трех фундаментальных параметров: А — массовое число, Z — заряд ядра, равный числу протонов, и N— число нейтронов в ядре.
Эти параметры связаны между собой соотношениями: Z = A -N , N = A - Z , A = Z + N . Нуклиды с одинаковым Z , но различными А и N , называют изотопами. Сформулированные выше положения составляют суть теории, описывающей движение микрочастиц, — квантовой механики. Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, который Н. Бор сформулировал следующим образом.
Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света являлись при этом объединяющим элементом строения микромира.
Убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 году дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Законы движения электронов в квантовой механике выражаются уравнением Шредингера, которое играет в квантовой механике ту же роль, что и законы Ньютона в классической механике.
Начало современным представлениям о микромире было положено исследованиями М. Планка, благодаря которым он пришел к выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях-квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергий-квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М.
Планк ввел в науку под символом h : E =hn , где n — частота, а Е — энергия кванта. День опубликования этой формулы — 14 декабря 1900 года считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элементарного кванта послужило основой для понимания свойств атомной оболочки и ядра, то этот день следует рассматривать как день рождения атомной физики и начало новой эры естествознания. В 1905 году А.
Эйнштейн перенес идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и, таким образом, представил новое учение о свете. Представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн.
Эксперименты показали, что явление фотоэффекта обусловлено воздействием света определенной частоты, а не интенсивностью светового воздействия. Эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом. Открытое в 1923 году американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона)
, которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь окончательно подтвердило квантовую теорию света. Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются лишь кажущимися. Это результат неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других — подобно частицам.
В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с макрообъектом. М. Бори образно заметил, что волны и частицы — это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию. Обе картины, корпускулярная и волновая оправданы, они дополняют друг друга, т. е. комплиментарны и вместе дают картину микромира.
На основе системы формул волновой механики были предсказаны новые элементарные частицы. Исследования в области элементарных частиц представляют собой изучение глубинного уровня структурной организации материи. Элементарные частицы как глубинный уровень структурной организации материи Своего рода первокирпичики имеются для каждой формы движения материи.
На уровне, изучаемом физикой, роль таких первокирпичиков выполняют фундаментальные частицы — кварки, которые не имеют внутренней структуры. Это мельчайшие частицы вещества — поля, точное местонахождение которых трудно определить даже самыми точными приборами. В качестве первой элементарной частицы в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX века — фотон, протон, позитрон и нейтрон.
Термин «элементарные» по отношению к мельчайшим частицам первоначально означал их неделимость. Однако вскоре ученые осознали всю условность этого названия. В 1932 году был открыт нейтрон и создана нейтронно-протонная модель атомного ядра. В результате из атомной физики выделилось самостоятельное, бурно развивающееся направление ядерная физика.
Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер, происходящие в результате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реакций. К ядерной физике тесно примыкают физика элементарных частиц, физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергетика. Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя продвигаться в понимании строения материи и в то же время чрезвычайно важны в практическом отношении (в энергетике, медицине и т. д.).