Строение атома. Опыты Резерфорда.

Корпускулярно-волновой дуализм свойств света.

Подведем итоги раздела «Оптика».

В рамках геометрической оптики природа света не рассматривается. Используется понятие светового луча, для которого формулируются законы геометрической оптики. Эти законы позволяют рассчитывать траекторию движения световых лучей в случае, когда размеры различных препятствий на пути луча достаточно большие. Использование этих законов позволило создавать различные оптические системы и приборы (линза, микроскоп, телескоп, фотоаппарат, диапроектор).

Рассматривая свет как электромагнитную волну, удалось понять такие явления как интерференция, дифракция, поляризация света. Волновая природа света проявляет себя, когда размеры препятствия на пути световой волны сравнимы с длиной волны. Явления интерференции, дифракции, поляризации света находят разнообразное практическое применение (спектрометрия, дефектоскопия, голография).Волновые свойства света необходимо учитывать при конструировании различных оптических систем.

В квантовой оптике свет проявляет себя как поток частиц или квантов света – фотонов. В рамках квантовых представлений находят объяснения такие явления как тепловое излучение тел, внешний и внутренний фотоэффект, эффект Комптона и др.

Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что он имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм. Впоследствии было установлено существование корпускулярно-волнового дуализма частиц вещества.

[2]. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений.- М.: «Просвещение», 2009 и др. Глава 11.

 

Тема 18. (2 часа)

Атомная физика. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Лазеры.

Открытие сложного строения атома – важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома возникла атомная физика, позволившая объяснить атомные спектры, физические и химические свойства различных веществ, давшая начало другим разделам физики. Были открыты законы движения микрочастиц – законы квантовой механики.

Одну из первых моделей строения атома предложил в 1903 г. Дж. Дж. Томсон. Он предположил, что атом имеет форму шара; положительный заряд распределен равномерно по всему объему этого шара, а отрицательно заря­женные электроны находятся внутри него. Радиус атома равен примерно 10^-10 м. Однако экспериментальные результаты доказали ошибочность такой модели.

Опыты Резерфорда.Новая модель атома была предложена Резерфордом в результате проделанных опытов по изучению рассеяния быстрых α-частиц на атомах вещества. В этих опытах в свинцовый кон­тейнер 1 помещался радиоактивный препарат 2 (радий, рис.18.1).Узкий пучок 3 α-частиц (полностью ионизированных атомов гелия, испускаемых радием) направлялся на тонкую металлическую фольгу 4. За ней помещался экран 5, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряжен­ных частиц. Вспышки на экране наблюдались Рис.18.1

с помощью микроскопа 6.

Обнаружено, что α-частицы проникают через тонкие металлические пластины почти без отклонения от прямолинейного пути. Вместе с тем небольшая часть альфа-частиц испытывала отклонение на значительно большие (до 180^○) углы.

Резерфорд предположил, что рассеяние альфа-час­тиц на большие углы объясняется тем, что положительный заряд в атоме не распределен равномерно в шаре радиусом 10^-10 м, а сосредоточен в центральной части атома в области значительно меньших размеров.

В этой центральной положительно заряженной части атома – атомном яд­ре, сосредоточена почти вся масса атома. Расчеты Резерфорда показали, что для объяснения опытов по рассеянию альфа-частиц нужно принять радиус ядра равным примерно 10^-15 м. При таком малом радиусе напряженность электрического поля ядра вблизи его поверхности очень велика. В этом поле на движущуюся α-частицу действует большая сила , которая и отклоняет частицу на большие углы, в том числе и в обратном направлении.

После обнаружения в опытах Резерфорда положительно за­ряженного ядра необходимо было ответить на вопросы о том, где же в атоме находятся электроны и чем занято в нем остальное пространство. Резерфорд предположил, что атом устроен по­добно планетной системе. Как вокруг Солнца на больших рас­стояниях от него обращаются планеты, так вокруг ядерного ядра в атоме обращаются электроны. Радиус орбиты самого удаленного от ядра электрона и есть радиус атома. Такая модель строения атома была названа планетарнойили ядерной моделью.

Однако атомные системы отличаются от планетарных систем физической природой сил, удерживающих планеты и элек­троны на их орбитах: планеты притягиваются к звездам силами всемирного тяготения, а во взаимодействии электронов с атомным ядром основную роль играют силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов. Силы гравитационного притяжения между электроном и атомным ядром ничтожно малы по сравнению с электромагнитными.

Ядерная модель атома хорошо объясняет основные законо­мерности рассеяния заряженных частиц. Так как большая часть пространства между атомным ядром и обращающимися вокруг него электронами пуста, то быстрые заряженные частицы могут почти свободно проникать через слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.

При столкновении с электроном альфа-частица практи­чески не рассеивается, так как ее масса примерно в 8000 раз больше массы электрона. Однако в том случае, когда альфа-частица пролетает вблизи одного из атомных ядер, под действием электрического поля атомного ядра может произойти ее рассеяние на любой угол до 180°. Но из-за малых размеров ядра по сравнению с размерами атома такие события происходят весьма редко.

Ядерная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию альфа-частиц в веществе, но встретилась с другой принципиальной трудностью: законы движения электронов в атоме Резерфорда противоречили законам электродинамики.

Как известно, любое ускоренное движение электрических зарядов сопровождается излучением электро­магнитных волн. Движение по ок­ружности является ускоренным дви­жением, поэтому электрон в атоме, должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте обращения вокруг ядра. Это должно приводить к уменьшению энергии электрона, постепенному его приближению к атомному ядру и падению на ядро.

Таким образом, атом, состоящий из атомного ядра и обращающихся вокруг него электронов, согласно законам классической физики, неустойчив. Но в действи­тельности атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии не излучают свет.