§ 206. Атом водорода. Своеобразие законов движения элек-

Гл. XXII. Строение атома

491

Попробуем применить известные нам законы физики, чтобы

представить себе устройство атома, объясняющее дискретность

его энергетических уровней.

Рассмотрим простейший из атомов — атом водорода. Поряд-

ковый номер водорода в периодической системе элементов равен

единице, следовательно, водородный атом состоит из положи-

тельного ядра, заряд которого равен +e, и о д н о г о электрона.

Между ядром и электроном действует сила притяжения зарядов.

Наличие этой силы обеспечивает радиальное (центростремитель-

ное) ускорение, благодаря чему легкий электрон вращается во-

круг тяжелого ядра по круговой или эллиптической орбите точно

так же, как планета вращается вокруг Солнца под влиянием

силы тяготения. Различным возможным состояниям атома соот-

ветствует, таким образом, различие в размерах (и форме) орбиты

электрона, вращающегося вокруг ядра

1

).

Энергия электрона в атоме слагается из кинетической энер-

гии движения по орбите и потенциальной энергии в электри-

ческом поле ядра. Можно показать (см. в конце параграфа),

что энергия электрона на круговой орбите, а следовательно,

Рис. 367.

Возможные ор-

биты

электрона

в

ато-

ме водорода: радиус орбит

возрастает пропорциональ-

но

n

2

, т. е. в отношении

1

:

4

:

9

:

16 и т. д.

и энергия атома в целом зависят от

радиуса орбиты: меньшему радиусу

орбиты соответствует меньшая

энергия атома. Но, как мы видели

в § 204, энергия атома может при-

нимать не любые, а только о п р е-

д е л е н н ы е и з б р а н н ы е з н а-

ч е н и я. Так как энергия определя-

ется радиусом орбиты, то каждому

энергетическому уровню атома от-

вечает орбита о п р е д е л е н н о г о

и з б р а н н о г о р а д и у с а.

Картина

возможных

круговых

орбит электрона в атоме водорода

изображена на рис. 367. Основному

энергетическому уровню атома со-

ответствует орбита наименьшего ра-

диуса.

Нормально электрон находится на этой орбите. При сообще-

нии достаточно большой порции энергии электрон переходит на

другой энергетический уровень, т. е. «перескакивает» на одну из

1

) В дальнейших рассуждениях будем считать все орбиты круговыми, это

упрощение не повлияет на выводы.

492

Гл. XXII. Строение атома

внешних орбит. Как указывалось, в таком возбужденном состоя-

нии атом неустойчив. Через некоторое время электрон переходит

на более низкий уровень, т. е. «перескакивает» на орбиту мень-

шего радиуса. Переход электрона с дальней орбиты на ближнюю

сопровождается испусканием светового кванта.

Итак, из ядерной модели атома и дискретности его энергети-

ческих уровней вытекает существование избранных, «разрешен-

ных», орбит электрона в атоме. Встает вопрос, почему электрон

не может вращаться вокруг ядра по орбите п р о и з в о л ь н о г о

радиуса. В чем физическое различие дозволенных и недозволен-

ных орбит?

Законы механики и электричества, знакомые нам из предыду-

щих разделов учебника (см. тома I, II), не дают на эти вопросы

никакого ответа. С точки зрения этих законов все орбиты совер-

шенно равноправны. Существование выделенных орбит п р о т и-

в о р е ч и т этим законам.

Не менее разительным противоречием известным нам зако-

нам физики является у с т о й ч и в о с т ь атома (в основном

состоянии). Мы знаем, что всякий заряд, движущийся с уско-

рением, излучает электромагнитные волны. Электромагнитное

излучение уносит с собой энергию. В атоме электрон движется

с большой скоростью по орбите малого радиуса и, следовательно,

обладает огромным центростремительным ускорением. Соглас-

но известным нам законам электрон должен терять энергию,

излучая ее в виде электромагнитных волн. Но, как было указано

выше, если электрон теряет энергию, радиус его орбиты умень-

шается. Следовательно, электрон не может вращаться по орби-

те постоянного радиуса. Расчеты показывают, что в результате

уменьшения радиуса орбиты из-за излучения электрон должен

был бы упасть на ядро за стомиллионную долю секунды. Этот

вывод резко противоречит нашему ежедневному опыту, который

свидетельствует об устойчивости атомов.

Итак, существует

п р о т и в о р е ч и е

между данными

о строении атома, полученными из эксперимента, и между

основными законами механики и электричества, также найден-

ными на опыте.

Но не следует забывать, что упомянутые законы найдены

и проверены в экспериментах с телами, содержащими очень

б о л ь ш о е количество электронов, б о л ь ш о е количество

атомов

1

). Мы не имеем основания считать, что эти законы при-

1

) Такие тела называются макроскопическими.

жүктеу/скачать 6,71 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: