Строение атома. Постулаты Бора

Дисперсия возникает в результате взаимодействия световых (электромагнитных) волн с веществом. Молекулярно-кинетическая теория говорит о том, что все вещества состоят из молекул и атомов. Атом имеет сложное строение. В 1911 г. Резерфорд предложил ядерную модель атома. По Резерфорду атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжёлое положительное ядро с зарядом ze, имеющее размеры не превышающие 10^-12см, а вокруг ядра расположены z электронов, распределённых по всему объёму, занимаемому атомом. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре (e - элементарный заряд).

Ядерная модель атома в сочетании с классической механикой и электродинамикой оказалась неспособной объяснить ни устойчивость атома, ни характер линейчатого спектра атома. Выход был найден в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором. Допущения, сделанные бором, содержаться в трёх высказанных им постулатах. Бор исходил из того опытного факта, что атомы отдают излучение в виде порций:

причём набор возможных значений _i (или ν_i) образует не непрерывную последовательность, но дискретный ряд. Отсюда был сделан вывод, что энергия атомов не может меняться непрерывно. Возможные состояния атома образуют дискретную последовательность, и энергии атома в этих состояниях образуют дискретный ряд

              E₁, E₂, ………, E_j,……                    (8)

Первый постулат Бора (постулат стационарных соотношений): существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергии. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определённые (стационарные) орбиты, по которым движутся электроны. При движении по стационарным орбитам электроны не излучают электромагнитных волн.

Второй постулат Бора (правило квантования орбит): в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие условию

                       mvr = n ,                                    (9)

где n = 1, 2, 3…

Здесь m – масса электрона, v – скорость электрона, r – радиус его орбиты,

, h – постоянная Планка (h = 6,67 · 10^-34Дж · с).

Третий постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии. Излучение происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (при переходе электрона с орбиты, более удалённой от ядра, на более ближнюю к ядру орбиту). Поглощение энергии сопровождается переходом атома в состояние с большей энергией. Этому соответствует переход электрона на более удалённую от ядра орбиту. Правило частот можно записать, если E_j и E_i и - энергии атома в 2-х стационарных состояниях:

                       E_j - E_i = hν_ji                            (10)

При E_j > E_i происходит излучение кванта, при E_j < E_i - его поглощение.

Постулаты Бора позволили объяснить устойчивость атомов и линейчатый спектр простейшего атома водорода, который состоит в видимой части из четырёх линий: красной, голубой, синей, фиолетовой. Каждая линия соответствует энергетическому переходу атома в следующем порядке

(см. рис. 3):

E₃ - E₂ = hν_3→2;  E₄ – E₂ = hν_4→2;

             E₅ - E₂ = hν_5→2;    E₆ - E₂ = hν_6→2       (11)

Рис. 3

На рисунке 3 схематически изображены уровни энергии водородного атома и переходы электрона, соответствующие трём сериям линий в спектре:

1-я серия – ультрафиолетовая часть, 2-я серия – видимая часть, 3-я серия – инфракрасная часть.