Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора icon

Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора




НазваРозділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора
Сторінка1/9
Дата15.09.2012
Розмір0.78 Mb.
ТипДокументи
  1   2   3   4   5   6   7   8   9

Розділ IV. Фізика атомів і молекул

Розділ IV. Фізика атомів і молекул

§4.1. Атом водню і його спектр випромінювання. Постулати Бора


Дослідження спектрів випромінювання розріджених газів показали, що кожному газу властивий певний лінійчатий спектр, який складається з окремих спектральних ліній. Найбільш вивченим є спектр атома водню.

Швейцарський вчений І. Бальмер у 1885 р. встановив, що довжини хвиль відомих на той час дев’яти ліній спектра атома водню можна обчислити за формулою:

, (4.1)

де , .

Цю формулу можна записати і в іншому вигляді:

,

де – стала Рідберга ().

Оскільки , то

, (4.2)

де – також називають сталою Рідберга.

Спектральні лінії, що відрізняються різними значеннями k, утворюють серію ліній, яка називається серією Бальмера. В спектрі випромінювання водню виявлено 37 ліній серії Бальмера. Із збільшенням k лінії серії зближуються, а значення визначає границю серії, до якої з боку більших частот прилягає суцільний спектр: . Крім того, виявляється, що зі збільшенням номера лінії її інтенсивність зменшується.

На початку ХХ ст. в спектрі водню було виявлено ще декілька серій ліній, які знаходяться у невидимій області випромінювання.

В ультрафіолетовій області – серія Лаймана:

, ;

в інфрачервоній області – серія Пашена:

, ;

серія Брекета:

, ; (4.3)

серія Пфунда:

, ;

серія Хемфрі:

, .

Всі серії у спектрі водню можуть бути описані однією формулою, яка називається узагальненою формулою Бальмера

, (4.4)

де n=1, 2, 3,… і визначає серію, а k=n+1, n+2, n+3,… – визначає окремі лінії серії.

Наведені серіальні формули підібрані емпірично і довгий час не мали теоретичного обґрунтування.

Перша спроба побудови якісно нової теорії атома була зроблена в 1913 р. Н.Бором. Він поставив перед собою мету зв’язати в єдине ціле емпіричні закономірності лінійчатих спектрів, ядерну модель атома Резерфорда і квантовий характер випромінювання та поглинання світла.

Теорія Бора застосовна до атома водню і водневоподібних атомів, які складаються з ядра з зарядом і одного електрона, що обертається навколо ядра: , ,….

В основу своєї теорії Бор поклав три постулати.

^ Перший постулат Бора (постулат стаціонарних станів): існують деякі стаціонарні стани атома з відповідними значеннями енергії перебуваючи в яких, він не випромінює і не поглинає енергії.

Цим стаціонарним станам відповідають цілком визначені (стаціонарні) орбіти, по яких рухаються електрони, які, нез­важаючи на наявність у них прискорення, електромагнітних хвиль не випромінюють.

^ Другий постулат Бора (правило квантування орбіт): в стаціонарному стані атома електрон, рухаючись по коловій орбіті, повинен мати квантові значення моменту імпульсу, які задовольняють умову

, , , (4.5)

де m – маса електрона, – його швидкість, – радіус орбіти електрона.

Третій постулат Бора (правило частот): при переході атома з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається один фотон з енергією , яка дорівнює різниці енергій відповідних стаціонарних станів.

Випромінювання фотона відбувається при переході атома зі стану з більшою енергією у стан з меншою енергією , тобто при переході електрона з орбіти більш віддаленої від ядра на ближчу до ядра орбіту. Поглинання енергії супроводжується переходом атома в стан з більшою енергією, і електрон переходить на віддаленішу від ядра орбіту. Набір можливих частот квантових переходів і визначає лінійчатий спектр атома.

Постулати, висунуті Бором, дозволили розрахувати спектр атома водню і водневоподібних систем, а також теоретично розрахувати сталу Рідберга.

Враховуючи припущення Резерфорда, що електрон у водневоподібній системі рухається по коловій орбіті радіусом r під дією кулонівської сили притягання електрона до ядра, яка створює доцентрове прискорення, запишемо:

.

Звідси

.

Підставивши сюди величину з виразу , отримаємо:

і ,

де n=1, 2, 3,…

Радіуси орбіт зростають пропорційно квадратам цілих чисел.

Оскільки експериментально виміряти радіуси орбіт неможливо, то для перевірки правильності теорії потрібно знайти такі величини, які можна виміряти експериментально. Такою величиною може бути, зокрема, енергія, яку випромінюють або поглинають атоми.

Енергія електрона дорівнює сумі його кінетичної і потенціальної енергій в електростатичному полі ядра і становить:

. (4.6)

Знак „–“ означає, що електрон знаходиться у зв’язаному стані.

Згідно з третім постулатом Бора при переході електрона з k-ї орбіти на n-у випромінюється фотон з енергією

,

звідки частота випромінювання

, (4.7)

де – стала Рідберга. Числове значення добре узгоджується з експериментально отриманим в емпіричних формулах для атома водню. Це підтверджує правильність отриманої Бором формули для енергетичних рівнів водневоподібної системи.


§4.2. Досліди Д. Франка і Г. Герца

Німецькі фізики Д. Франк і Г. Герц експериментально довели дискретність значень енергій атомів, вивчаючи методом затримуючого потенціалу зіткнення електронів з атомами газів. Схема їх установки наведена на рис. 4.1.

Трубка, яка заповнена парами ртуті при низькому тиску (~130 Па), містить катод K, анод A і сітку C. Електрони, які вилітають з катода внаслідок термоелектронної емісії, прискорюються різницею потен­ціалів U, що прикладена між катодом і сіткою. Цю різницю потенціалів можна змінювати за допомогою потенціометра П. Між сіткою С і анодом А прикладена гальмівна різниця потенціалів порядку 0,5 В. Д. Франк і Г. Герц досліджували залежність сили струму І в колі анода від напруги U між катодом і сіткою. Сила струму вимірювалась гальванометром G, напруга – вольтметром V.

Електрони в області між катодом і сіткою співударяються з атомами парів ртуті. Ті електрони, які після співударів мають достатню енергію, щоб подолати гальмівне поле, досягають анода. При непружних ударах електронів з атомами ртуті останні можуть збуджуватися. Згідно з теорією Бора кожен з атомів ртуті може отримати лише певну енергію, переходячи при цьому в один із збуджених станів. Тому, якщо в атомах дійсно існують стаціонарні стани, то електрони, стикаючись з атомами ртуті, повинні втрачати енергію дискретно, певними порціями, які дорівнюють різниці енергій відповідних стаціонарних станів атома.

При збільшенні напруги до 4,86 В, сила анодного струму зростає монотонно, проходить через максимум (4,86 В), потім різко падає і зростає знову (рис. 4.2). Наступні максимуми спостерігаються при 2·4,86 B і 3·4,86 B.

Доки напруга між катодом K і сіткою C менша, ніж 4,86 В, то електрони, зустрічаючи на своєму шляху атоми ртуті, взаємодіють пружно. При eU=4,86 eB енергія електрона достатня, щоб викликати непружний удар, при якому електрон віддає атому ртуті всю кінетичну енергію, збуджуючи перехід одного з електронів атома на вищий енергетичний рівень, тобто атом переходить у збуджений стан. Електрони, які втратили свою кінетичну енергію, уже не зможуть подолати гальмівного поля і досягнути анода. При значеннях енергій, кратних 4,86 еВ, електрони можуть 2,3,... рази співударятися непружно з атомами ртуті, втрачаючи при цьому повністю свою енергію, і не долетять до анода.

Досліди Франка і Герца показали, що електрони при зіткненні з атомами ртуті передають атомам лише певні порції енергії, причому 4,86 еВ – найменша можлива порція енергії, яка може бути поглинена атомом ртуті в основному енергетичному стані, що експериментально підтверджує постулати Бора.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9

Схожі:

Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора iconПитання для підготовки до модульного контролю з фізики в гр. Сі-11-1 2-го курсу іеесу
Постулати Бора. Воднеподібні атоми і їхні енергетичні рівні на основі боровської теорії. Перший боровський радіус. Діаграма рівнів...
Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора iconЛабораторна робота №44 Вивчення серіальних закономірностей в спектрі випромінювання водню І визначення сталої Планка Мета роботи
...
Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора iconViii. Атомна фізика 26. Теорія Бора для атома водню
Енергія фотона, що випромінюється атомом водню при переході з одного стаціонарного стану в інший
Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора iconЗвіт з лабораторної роботи №20 Дослідження видимого спектру атому водню 1 студента групи дата
Експериментально переконатися у тому, що спектр випромінювання атомарного водню є дискретним
Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора iconНазва модуля: Фізика. Ч код модуля: кзф 6003 с тип модуля
Зміст навчального модуля: Інтерференція, дифрація та поляризація світла, взаємодія світла з речовиною, квантова природа випромінювання,...
Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора iconРозділ ІІІ. Квантова природа випромінювання теплове випромінювання. Абсолютно чорне тіло. Закон Кірхгофа
Наприклад, тверді тіла нагріті до досить високої температури набувають здатності світитися, випромінюючи біле світло, яке має суцільний...
Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора iconРозділ VI. Елементи фізики твердого тіла енергетичні зони в кристалах. Розподіл електронів по енергетичних зонах
Так, при зближенні ізольованих атомів І утворення з них кристалу, що складається з n атомів, кожний окремий атом взаємодіє з своїми...
Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора iconСтатистична фізика І термодинаміка усі тіла складаються з найдрібніших частинок – атомів, молекул, до складу яких входять ще дрібніші елементарні частинки
Усі тіла складаються з найдрібніших частинок атомів, молекул, до складу яких входять ще дрібніші елементарні частинки
Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора iconЛабораторна робота №66 Визначення енергії дисоціації молекул йоду Мета роботи
Вивчити спектр поглинання парів йоду І визначити енергію дисоціації молекул йоду J2
Розділ IV. Фізика атомів І молекул атом водню І його спектр випромінювання. Постулати Бора iconЛабораторна робота №8 визначення резонансного потенціалу збудження атомів гелію методом Франка І Герца
Визначити резонансний потенціал та частоту резонансного випромінювання атомів гелію, розрахувати величину поперечного перерізу електронно...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи