Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Силы электростатического притяжения заставляют электроны располагаться как можно ближе к ядру. Почему же в таком случае они не переходят все на самую близкую к ядру первую орбиту? Дело в том, что в квантовой механике действует еще один "запрет" — так называемый принцип Паули, в силу которого на каждой орбите может находиться лишь вполне определенное максимальное число электронов: на первой орбите — два, на второй — восемь и т. д. Поэтому, например, в атоме азота, заряд ядра которого равен семи, два электрона находятся на первой орбите, а остальные пять — на второй. Иначе говоря, в любом атоме электроны располагаются слоями (оболочками), причем в обычном состоянии все внутренние оболочки атома "забиты" до отказа и только во внешней оболочке может оказаться несколько свободных мест. За пределами атома можно найти много орбит, для которых выполняется условие квантования, но электронов на них, естественно, нет.
Однако если одному из электронов сообщить каким-либо образом достаточно большую энергию, то он может перейти со своей оболочки на одно из свободных мест на незаполненных оболочках. Такое состояние атома называют возбужденным. При еще большей энергии электрон может полностью преодолеть притяжение к ядру и оторваться от атома; этот процесс называют ионизацией. В возбужденном или ионизованном состоянии атом долго не остается, так как электрон быстро возвращается на свое прежнее место. При этом вся первоначально затраченная энергия выделяется в виде кванта электромагнитного излучения. Таким образом, атом можно рассматривать как квантовомеханическую систему.
54
Особенно крупный успех был достигнут с применением модели Резерфорда-Бора к атому водорода. Для этой простейшей системы удалось рассчитать положение всех орбит и энергии электронов на них, а, стало быть, и энергии всех фотонов, которые может испустить атом водорода. Но ведь энергия фотона однозначно связана соотношением Планка с частотой колебаний, а частота колебаний в свою очередь определяет длину волны:
v=l/T = c/(cT) = c/\.
В итоге модель Резерфорда—Бора позволила вычислить длины волн всех линий оптического спектра атомарного водорода и притом с очень высокой точностью. Расчет спектров более сложных атомов и молекул затруднен тем, что из-за взаимодействия электронов между собой здесь приходится решать задачу многих тел. Несмотря на то что точное аналитическое решение этой задачи даже в классической физике неизвестно, модель атома Резерфорда—Бора и здесь дает возможность понять общий характер картины.
Другим важным успехом модели Резерфорда—Бора было объяснение периодической системы элементов. При образовании молекул атомы "сцепляются" своими внешними электронами, поэтому химические свойства элемента целиком определяются строением внешней электронной оболочки его атомов, в частности числом электронов на ней. Чем больше электронов на внешней оболочке, тем меньше свойства элемента напоминают металл. С ростом заряда ядра увеличивается общее число электронов в атоме (ведь атом в целом нейтрален!). При этом постепенно заполняется очередная оболочка, и свойства элементов плавно меняются от металлов к неметаллам. Когда оболочка окажется целиком заполненной, получится атом одного из инертных газов, а при дальнейшем росте заряда ядра начнет заполняться следующая оболочка, т. е. опять получим сначала атом металла, а затем постепенно перейдем к неметаллам и т. д.
Наконец, модель Резерфорда-Бора позволила разобраться в так называемом характеристическом рентгеновском излучении, открытом в 1907 году. Тщательные исследования показали, что в тех случаях, когда электроны в рентгеновской трубке попадают не на стекло, а на пластинку, изготовленную из какого-нибудь тяжелого вещества (меди, вольфрама), на фоне непрерывного спектра рентгеновского излучения можно наблюдать несколько четких интенсивных линий, похожих на линии оптических спектров, только с гораздо меньшей длиной
55
волны [(2-3)-10"10 м]. Оказалось, что каждый элемент характеризуется своими вполне определенными длинами волн излучения в этих линиях, поэтому данное излучение и было названо характеристическим.
Происхождение характеристического излучения можно объяснить следующим образом. Ускоренный в рентгеновской трубке электрон, попадая в атом, вырывает с одной из внутренне его оболочек другой электрон. На образовавшееся пустое мєсїо "соскакивает" электрон с одной из внешних оболочек, что, естественно, сопровождается испусканием фотона. Так как внутренние оболочки расположены очень близко к ядру, электроны на них притягиваются к ядру гораздо сильнее, чем электроны внешних оболочек. Поэтому переход электрона с внешней оболочки на внутреннюю сопровождается гораздо большим выделением энергии, чем любой переход в пределах внешних оболочек. А следовательно, и длина волны излучения в данном случае оказывается во много раз меньше (напомним, что длина волны обратно пропорциональна энергии фотона) и составляет всего (2-3) 10"10 м, а не (4-6) 10"7 м, как в области видимого света. Фотоны от таких переходов и образуют характеристическое рентгеновское излучение.
