Реферат

Тема:

"Теория Бора о строении атома"

Новосибирск, 2010

Введение

Непосредственно изучить внутреннее строение атома невозможно, микромира малых размеров, характеризуемого процессами, недоступными нашему восприятию. Структура атома проявляется только косвенно в явлениях микроскопического масштаба, которые как то связаны с его внутренним строением.

В результате тщательных и кропотливых исследований ученым удалось установить некоторые общие закономерности в характере спектров и найти эмпирические законы, которыми они подчиняются.

Нильс Бор создал теорию атома, в основу которой легли планетная модель атома, квантовые представления и предложенные им Бора постулаты.

Цель данной работы:

- определить сочетание идей Бора и классической механики, на основании его теории о строении атома.

- рассмотреть строение модели атомов, определяющих пути электронов в этих атомах, помогающих объяснять физические и химические свойства химических элементов.

- определить достоинства и недостатки теории Бора о строении атома.

1. Теория бора о строении атома

Нильс Бор (1885-1962) - датский физик, один из создателей современной физики. Основатель и руководитель Института теоретической физики в Копенгагене (Институт Нильса Бора); создатель мировой научной школы; иностранный член АН СССР (1929), в 1943-45 работал в США).

Физики всего мира признавали его авторитет. «Что нового сказал Бор?» - задавали вопрос в лабораториях Европы, Азии, Америки. На научные совещания к Бору приезжали выдающиеся физики всех стран. Бывали там и наши ученые. На встречах спорили, не считаясь ни с возрастом, ни со званиями. Сам Бор никогда не упорствовал в своих взглядах, если их убедительно опровергали. Истина и любимая наука были для него важнее всего. Открытия Нильса Бора получили мировое признание. Но он был известен во всех странах еще и как борец за мир, за мирное использование атомной энергии. Во время войны он отказался участвовать в создании атомной бомбы. И после ее окончания он много раз призывал правительства всех стран запретить атомное оружие.

Теория Бора о строении атома была разработана в 1913 г. Согласно этой теории атом состоит из находящегося в центре тяжелого полужирного заряженного атома, в котором сосредоточена почти вся масса атома и электронов - планет, вращающихся вокруг ядра.

Выведенный воздействием каких-либо внешних причин из состояния равновесия, электрон начинает колебаться около положения равновесия, излучая при этом электромагнитную волну вполне определенной частоты. Постепенно, по мере того как его кинетическая энергия будет переходить в энергию излучения, амплитуда колебаний электрона будет уменьшаться, пока в конце концов не обратиться в нуль, и электрон не вернется снова в исходное положение равновесия. Таким образом, можно было бы одновременно объяснить и наличие в спектре монохроматических линий и устойчивость атомной системы. Но планетная модель атома не допускала такого объяснения, так как в этой модели предполагали, что электроны вращаются, подобно планетам, по кеплеровым орбитам вокруг центрального ядра и имеют частицу обращения, зависящую от их кинетической энергии и изменяющуюся вместе с ней. Поэтому если классическая теория излучения применима к внутриатомным электронам, то электроны-планеты должны постепенно терять энергию, излучая волны непрерывно меняющиеся частоты, и в конце концов упасть на ядро и нейтрализовать его. Таким образом, в рамках классической теории планетарная модель не позволяла объяснить ни монохроматический характер спектральных линий, ни устойчивости, атомной системы. Таковы были трудности, с которыми столкнулся Нильс Бор в начале своих исследований.

Заслуга Бора состоит в том, что он ясно понял, что нужно сохранить планетную модель атома, введя в нее фундаментальные идеи квантовой теории. В соответствии с этим среди бесконечного множества всевозможных движений, допускаемых классической механикой, только некоторые квантовые движения оказываются устойчивыми и обычно осуществляются в природе. Обобщение этого условия на случай периодического движения, определяемого более чем одним параметром, к тому времени, когда Бор написал свои первые работы, еще не было известно. Бор предположил, что движение атомных систем должно быть квантовым, т.е. должно подчиняться некоторым условиям, или правилам квантования. Если атом изолирован и образует замкнутую систему. То каждое из этих стационарных состояний характеризуется некоторым квантовым значением энергии. Таким образом, каждый вид атома характеризуется последовательностью квантовых значений энергии, соответствующих возможным различным стационарным состояниям. Иначе говоря, атому каждого элемента соответствует последовательность чисел, определяющих энергию различных состояний, в которых этот атом может находиться.

Полученная картина обнаруживает, что переход атома из одного стационарного состояния в другое с изменением энергии сопровождается излучением. Бор предположил, что каждая спектральная линия соответствует мгновенному переходу атома из одного квантового состояния в другое, характеризуемое меньшим значением энергии. Избыток энергии уносится излучением. При этом в квантовой теории следует считать, что энергия излучается в виде отдельных квантов, или фотонов.

Таким образом, при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он испускает фотон, энергия которого равна разности энергий начального и конечного состояния атома. Отсюда следует правило Бора: частота спектральной линии, соответствующей переходу атома из некоторого состояния А в состояние В, равна разности энергии атома в состояниях А и В, деленной на постоянную Планка h.

Согласно этому правилу частот спектральные термы атома равны энергиям стационарных состояний этого атома, делением на постоянную Планка.

Бор поставил свою теорию о строении атома на двух основных положениях:

1. Атом обладает последовательностью стационарных состояний, соответствующих движениям, удовлетворяющим условиям квантования Планка, и только эти состояния могут быть физически реализованы:

где  - излучённая (поглощённая) энергия,  - номера квантовых состояний. В спектроскопии и называются термами.

2. Спектральное излучение может испускаться лишь при переходе атома из одного стационарного состояния в другое, причем частота этого излучения определяется вышеуказанным правилом частот.

Правило квантования момента импульса:

Далее, исходя из соображений классической физики о круговом движении электрона вокруг неподвижного ядра по стационарной орбите под действием кулоновской силы притяжения, Бором были получены выражения для радиусов стационарных орбит и энергии электрона на этих орбитах:

м - боровский радиус.

Это означало, что каждая яркая цветная линия (т.е. каждая отдельная длина волны) соответствует свету, излучаемому электронами, когда они переходят с одной разрешенной орбиты на другую орбиту с более низкой энергией. Теория Бора при описании поведения атомных систем не отвергла полностью законы классической физики. В ней сохранились представления об орбитальном движении электронов в кулоновском поле ядра. Классическая ядерная модель атома Резерфорда в теории Бора была дополнена идеей о квантовании электронных орбит. Поэтому теорию Бора иногда называют полуклассической.

Также Бор объяснил не только спектр простейшего из атомов - водорода, но и гелия, в том числе, и ионизованного, показал, как учесть влияние содвижения ядра, предугадал структуру заполнения электронных оболочек, что позволило понять физически природу периодичности химических свойств элементов - периодическую таблицу Менделеева.

Хотя модель Бора казалась странной и немного мистической, она позволяла решить проблемы, давно озадачивавшие физиков. В частности, она давала ключ к разделению спектров элементов. Когда свет от светящегося элемента (например, нагретого газа, состоящего из атомов водорода) проходит через призму, он дает не непрерывный включающий все цвета спектр, а последовательность дискретных ярких линий, разделенных более широкими темными областями.

Модель. Постулаты Бора

Теория Бора, опубликованная в 1913 г., принесла ему известность; его модель атома стала известна как атом Бора.

Итак, можно сделать вывод, что теория Бора о строении атома:

- объяснила дискретность энергетических состояний водородоподобных атомов.

- подошла к объяснению внутриатомных процессов с принципиально новых позиций, стала первой полуквантовой теорией атома.

- эвристическое значение теории состоит в смелом предположении о существовании стационарных состояний и скачкообразных переходов между ними. Эти положения позднее были распространены и на другие микросистемы.

Также следует сказать о недостатках теории Бора о строении атома:

- не смогла объяснить интенсивность спектральных линий.

- справедлива только для водородоподобных атомов и не работает для атомов, следующих за ним в таблице Менделеева.

- теория Бора логически противоречива: не является ни классической, ни квантовой. В системе двух уравнений, лежащих в её основе, одно - уравнение движения электрона - классическое, другое - уравнение квантования орбит - квантовое.

Нильс Бор был награжден в 1922 г. Нобелевской премией по физике «за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения».

2. Развитие теории бора. Теория Зоммерфельда

Как мы уже выяснили, теория Бора обладала серьезными недостатками.

Задача была решена в 1916 г. почти одновременно Вильсоном и Зоммерфельдом. Они обратили внимание на то, что все механические системы, рассматриваемые в квантовой механике, относятся к классу квазипериодических систем с разделяющимися переменными. Система такого рода характеризуется периодическим изменением всех переменных, хотя величины этих периодов отличны друг от друга. Более того, надлежащим выбором этих переменных интеграл действия удается разбить на ряд интегралов, каждый из которых зависит только от одной переменной. Проводя в каждой из этих интегралов интегрирование по полному периоду соответствующей переменной и приравнивая каждый из них произведению постоянного Планка на целое число, получаем условия квантования для случая систем со многими степенями свободы. В частном случае из одной степени свободы они переходят в условие квантования Планка.

Зоммерфельд использовал предложенный им метод для решения более сложных задач теории атома, которые оказались не под силу ранней теории Бора. Прежде всего, он показал, что учет эллиптичности электронных орбит в атоме водорода не изменяет выражений для энергии различных стационарных состояний и абсолютно не сказывается на результатах, полученных Бором. Далее он показал, что более строгий учет движения электронов приводит к замене формул типа Бальмера другими, более точно описывающими истинное расположение спектральных линий оптического спектра и совпадающими с найденными ранее эмпирическими формулами Гидберга и Ритца.

Обнадеженный этими успехами Зоммерфельд попытался также объяснить тонкую структуру рентгеновских спектров. Что имело еще большее значение, чем интерпретация оптических спектров, поскольку в рентгеновских спектрах наблюдаются дублеты, легко разрешимые для всех элементов таблицы Менделеева. Некоторые из этих дублетовов, называемые правильными дублетами, обнаруживают по мере перехода от одного элемента к другому, определенные закономерности. В частности, разность частот, соответствующая линиям одного дублера, быстро растет с увеличением атомного номера элемента. Приблизительно как его четвертая степень. Обращение к релятивистским уравнениям движения вместе с найденными им условиями квантования позволило Зоммерфельду объяснить как причину возникновения этих дублетов, так и указанную выше зависимость разности от атомного номера. В частности, расположение дублетов серии L очень хорошо описывалось полученными им формулами.

Результаты, полученные Зоммерфельдом и опубликованные в 1916 г., явились полным подтверждением справедливости как квантовых методов, так одновременно релятивистской динамики и привлекли к квантовой теории всеобщее внимание. Но более глубокий анализ этой теории обнаружил в ней много недостатков. В частности, последовательное применение используемых в этой теории (которая в настоящее время известна как старая квантовая теория) принципов и методов встречает на своем пути определенные трудности принципиального характера. Но даже безотносительно к этим трудностям общего характера теории Зоммерфельда может вызывать возражение более частного порядка.

Таким образом, теория Зоммерфельда оказалась неспособной дать достаточно полное объяснение тонкой структуры спектральных линий. Но предсказание ее относительно дублетов в оптической и рентгеновской областях спектров, полностью оправдалось.

Заключение

Теория Бора о строении атома является фундаментальной и имеет огромное значение для всего человечества.

В острый для физики период, когда был накоплен огромный экспериментальный материал, был нужен принципиально новый подход для создания физической картины атомных процессов. Важная заслуга Бора состоит в том, что он нашел такой подход. Он ориентировал физиков на исследование противоречивых сторон физической реальности микромира.

Бор показал, что электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а лишь по определенным квантовым орбитам, дал математическое описание устойчивости орбит, или стационарного состояния атома. Показал, что всякое излучение либо поглощение энергии атомом связано с переходом между двумя стационарными состояниями и происходит дискретно с выделением или поглощением планковских квантов. Ввел понятие главного квантового числа для характеристики электрона. Рассчитал спектр атома водорода, показав полное совпадение расчетных данных с эмпирическими. Построил модели атомов других элементов Периодической системы, охарактеризовав движение электронов в них посредством главного n и побочного l квантовых чисел.

Боровская модель атома хотя и была заменена более сложной квантово-механической моделью, основанной главным образом на исследованиях его коллег. Тем не менее, атом Бора сыграл существенную роль моста между миром атомной структуры и миром квантовой теории. Благодаря этому открытию были совершены другие, гораздо более важные. Они касались самой модели атома.

Возможно, теория Бора о строении атома - это самое важное открытие науки ХХ века - открытие того, что мир природных явлений не может быть описан простыми понятиями, полученными нами из опыта, и закреплен в терминах классической науки. Мир, находящийся за гранью привычных масштабов, сложен для понимания.

На основании вышеизложенного, можно сделать вывод, что теория Бора позволила нам разъяснить многие загадочные вопросы, на которые нас натолкнула периодическая система Д.И. Менделеева. Словом, эта теория объясняет, почему мы встречаемся в периодической системе с «группой железа» и еще более многочисленной группой так называемых «редких земель». Эта новая, разработанная Бором, область дает массу примеров перехода количества (числа электронов) в качество (новые типы их движений, влекущие за собой изменения химических и физических свойств), и потому представляет громадный интерес для марксиста, как очень яркая иллюстрация того, что «в природе в конечном счете все происходит диалектически, а не метафизически». Современная наука дает нам в этом отношении неизмеримо больше примеров, чем это было десятки лет тому назад.

Литература

1. Данин Д. Нильс Бор. - М.: «Молодая гвардия», 1978.

2. Капица П.Л. Памяти Нильса Бора. - Природа, 1963, #1, с. 67.

3. Клайн Б. В поисках. Физики и квантовая теория. - М.: «Атомиздат,» 1971.

4. Кляус Е.М., Франкфурт У.И., Френк А.М. Нильс Бор. - М.: «Наука», 1977.

5. Ландау Л.Д. Слово о Нильсе Боре. - «Комсомольская правда», 1965, 6 октября.

6. Мур Р. Нильс Бор - человек и ученый. - М.: «Мир», 1969.

7. Нильс Бор. Жизнь и творчество. (Сборник статей). - М.: «Наука», 1967.

8. Франкфурт У.И., Френк А.М. У истоков квантовой теории. - М.: «Наука», 1975.