Презентация на тему "Модель атома"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Курс лекций по физике Степанова Екатерина Николаевна доцент кафедры ОФ ФТИ ТПУ 1 Сегодня: понедельник, 31 октября 2016 г. pptcloud.ru

• 
  Слайд 2
  

  Тема 7. Модели атомов. Атом водорода по теории Бора. 7.1. Закономерности в атомных спектрах 7.2. Ядерная модель атомов 7.3. Элементарная теория Бора 7.4. Опыт Франка и Герца Сегодня: понедельник, 31 октября 2016 г.

• 
  Слайд 3
  

  7.1. Закономерности в атомных спектрах Изолированные атомы в виде разреженного газа или паров металлов испускают спектр, состоящий из отдельных спектральных линий (линейчатый спектр). Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов. линии в спектрах расположены не беспорядочно, а сериями. расстояние между линиями в серии закономерно уменьшается по мере перехода от длинных волн к коротким. 3

• 
  Слайд 4
  

  Линейчатые спектры излучения в видимой области: водород, ртуть, неон. Спектр поглощения водорода Дискретность, квантованность спектров излучения свидетельствует о дискретности процессов, приводящих к их появлению 4

• 
  Слайд 5
  

  5

• 
  Слайд 6
  

  Швейцарский физикЙ.Бальмер в 1885 году установил, что длины волн серии в видимой части спектра водорода могут быть представлены формулой (формула Бальмера): , где 0= const, n= 3, 4,5,… R= 1,09·107 м-1– постоянная Ридберга. В физике постоянной Ридберга называют и другую величину равную R = R·с. R = 3,29·1015c-1 или 6

• 
  Слайд 7
  

  Дальнейшие исследования показали, что в спектре водорода имеется еще несколько серий: 7

• 
  Слайд 8
  

  Обобщенная формула Й. Бальмера гдеk = 1, 2, 3,…; n = k + 1, k + 2,…. или 8

• 
  Слайд 9
  

  Атом сложная система, имеющая сложный спектр Видимая область Инфракрасная обл. Ультрафиолетовая обл. 9

• 
  Слайд 10
  

  Существовало много моделей атомов: Модель атома Томсона (1903 г.): сфера, равномерно заполненная положительным электричеством, внутри которой находятся электроны Модель атома: сфера, в центре которой находилось положительно заряженное ядро, а вокруг него располагались электроны Планетарная модель атома, предложенная Э. Резерфордом 10

• 
  Слайд 11
  

  и теории строения атома. В 1899 г. открыл альфа - и бета-лучи. Вместе с Ф. Содди в 1903 г. разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений. В 1903 г. доказал, что альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц. Предсказал существование трансурановых элементов. В 1908 г. ему была присуждена Нобелевская премия. Резерфорд Эрнест (1871–1937) – английский физик, основоположник ядерной физики. Его исследования посвящены атомной и ядерной физике, радиоактивности. Своими фундаментальными открытиями в этих областях заложил основы современного учения о радиоактивности 11

• 
  Слайд 12
  

  Планетарная модель строения атома Конец ХIХ - начало ХХ века 12

• 
  Слайд 13
  

  7.2. Ядерная модель атома (модель Резерфорда). Скорость  - частиц =107 м/с = 104 км/сек.  - частица имеет положительный заряд равный +2е. Опыт осуществлялся по схеме 13

• 
  Слайд 14
  

  Узкий пучок α-частиц испускался радиоактивным веществом и попадал на фольгу. При прохождении через фольгу α-частицы отклонялись на различные углы. Рассеянные частицы ударялись об экран, покрытый ZnS и вызываемые им вспышки света, сцинцилляции, наблюдались в микроскоп. Микроскоп и связанный с ним экран можно было вращать вокруг оси, проходящей через центр фольги. Т.о. можно было всегда измерить угол отклонения. Весь прибор помещался в откачиваемый объем, чтобы устранить рассеяние α-частиц за счет столкновений с молекулами воздуха. 14

• 
  Слайд 15
  

  Обнаружилось, что некоторые α-частицы отклонялись на большие углы, до 180º. Резерфорд понял, что такое отклонение возможно лишь при встрече с положительно заряженной частицей большей массы. Малая вероятность отклонения на большие углы говорила, что эта положительная частица имеет малые размеры, 10–14 м. Электроны, по Резерфорду, движутся вокруг ядра. Оказалось, что радиус ядра R (1014 ÷ 1015) м и зависит от числа нуклонов в ядре. 15

• 
  Слайд 16
  

  Однако, такая модель была в явном противоречии с классической электродинамикой, т.к. электрон, двигаясь по окружности, т.е. с нормальным ускорением, должен был излучать энергию, следовательно, замедлять скорость и упасть на ядро. Таким образом, модель Резерфорда не могла объяснить, почему атом устойчив. 16

• 
  Слайд 17
  

  Планетарная модель атома противоречит электродинамике Максвелла 17

• 
  Слайд 18
  

  Согласно которой,ускоренно движущийсязаряд излучает электромагнитные волны. 18

• 
  Слайд 19
  

  При движении по окружности имеется центростремительноеускорение. Поэтому электрон должен терять энергию на электромагнитное излучение и падать на ядро. Нестабильный атом?! 19

• 
  Слайд 20
  

  Попыткой спасения планетарной модели атома стали постулаты Н. Бора 20

• 
  Слайд 21
  

  7.3. Элементарная теория Бора. БОР Нильс Хендрик Давид(1885–1962) – Выдающийся датский физик-теоретик, один из создателей современной физики. Сформулировал идею о дискретности энергетических состояний атомов, в свете новых идей построил атомную модель, открыв условия устойчивости атомов, и объяснил большой круг явлений. Создал первую квантовую модель атома, основанную на двух постулатах, которые прямо противоречили классическим представлениям и законам. Бор много сделал для развития ядерной физики. Он – автор теории составного ядра, один из создателей капельной модели ядра и теории деления атомного ядра. 21

• 
  Слайд 22
  

  Атом следует описывать как «пирамиду» стационарных энергетических состояний. Пребывая в одном из стационарных состояний, атом не излучает энергию. При переходах между стационарными состояниями атом поглощает или излучает квант энергии. При поглощении энергии атом переходит в более энергетическое состояние. 22

• 
  Слайд 23
  

  Еn Em > En Поглощение энергии 23

• 
  Слайд 24
  

  Еn Em > En Излучение энергии 24

• 
  Слайд 25
  

  Постулаты Бора Первый постулат(постулат стационарных состояний):электроны движутся только по определенным (стационарным) орбитам. При этом, даже двигаясь с ускорением, они не излучают энергию. Второй постулат(правило частот):излучение и поглощение энергии в виде кванта h происходит лишь при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается скачок электрона . 25

• 
  Слайд 26
  

  Правило частот: частота излучаемой линии, равна или 26

• 
  Слайд 27
  

  Правило квантования орбит: из всех орбит электрона возможны только те, для которых момент импульса равен целому кратному постоянной Планка meυr = nħ где n = 1, 2, 3,… главное квантовое число. Уравнение движения электрона получим из равенствацентробежной силе кулоновской силе: => 27

• 
  Слайд 28
  

  Радиус первой орбиты водородного атома называют Боровским радиусом. При n =1, Z = 1 для водорода имеем: = 0,529·10–10 м. Å= 28

• 
  Слайд 29
  

  Внутренняя энергия атома слагается из кинетической энергии электрона (ядро неподвижно) и потенциальной энергией взаимодействия электрона с ядром. Из уравнения движения электрона следует, что –кинетическая энергия равна потенциальной. Для атома водорода 29

• 
  Слайд 30
  

  Ясно, видно, что Wn принимает только дискретные значения энергии, т. к. n = 1, 2, 3…. Схема энергетических уровней определяемых ( ) показана на рисунке 30

• 
  Слайд 31
  

  Атом сложная система, имеющая сложный спектр Видимая область Инфракрасная обл. Ультрафиолетовая обл. 31

• 
  Слайд 32
  

  При переходе электрона в атоме водорода из состояния n в состояние k излучается фотон с энергией: и частота излучения, Мы получили обобщенную формулу Бальмера, которая хорошо согласуется с экспериментом, где постоянная Ридберга 32

• 
  Слайд 33
  

  Серьезным успехом теории Бора явилось: вычисление постоянной Ридберга для водородоподобных систем и объяснение структуры их линейчатых спектров. Бору удалось объяснить линии спектра ионизованного гелия. 33

• 
  Слайд 34
  

  Бор теоретически вычислил отношение массы протона к массе электрона mp/me= 1847, это находится в соответствии с экспериментом. Все это было важным подтверждением основных идей, содержащихся в теории Бора. Теория Бора сыграла огромную роль в создании атомной физики. В период ее развития (1913 – 1925 гг.) были сделаны важные открытия. 34

• 
  Слайд 35
  

  Однако наряду с успехами в теории Бора с самого начала обнаружились существенные недостатки. Главнейшее – внутренняя противоречивость теории: механическое соединение классической физики с квантовыми постулатами. Теория не могла объяснить вопрос об интенсивностях спектральных линий. Серьезной неудачей являлась абсолютная невозможность применить теорию для объяснения спектров гелия (He) (два электрона на орбите, и уже теория Бора не справляется). 35

• 
  Слайд 36
  

  Стало ясно, что теория Бора является лишь переходным этапом на пути создания более общей и правильной теории. Такой теорией и являлась квантовая (волновая) механика. 36

• 
  Слайд 37
  

  Дальнейшее развитие квантовой механики привело к отказу от механической картины движения электрона в поле ядра 37

• 
  Слайд 38
  

  7.4. Опыт Франка и Герца. Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытом Франка и Герца. Немецкие ученые Джеймс Франк и Густав Герц, за экспериментальные исследования дискретности энергетического уровня получили Нобелевскую премию в 1925 г. 38

• 
  Слайд 39
  

  В трубке, заполненной парами ртути при давлении р 1 мм рт.ст., три электрода, катод – сетка – анод. 39

• 
  Слайд 40
  

  Электроны ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было изменять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом тормозящее поле ( 0,5В). Определялась зависимость тока через гальванометр (Г) от разности потенциалов между катодом и сеткой (U). Они получили такую зависимость: 40

• 
  Слайд 41
  

  U = 4,86 – соответствует 1-му потенциалу возбуждения 41

• 
  Слайд 42
  

  Согласно Боровский теории: каждый из атомов ртути может получить лишь вполне определенную энергию, переходя в одно из возбужденных состояний поэтому если в атомах действительно существуют стационарные состояния, то электроны, сталкиваясь с атомами ртути, должны терять энергию дискретно, определенными порциями, равными разности энергии соответствующих стационарных состояний атома. 42

• 
  Слайд 43
  

  Из опыта следует, что при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,86 В анодный ток возрастает монотонно, его значение проходит через максимум (4,86 В), затем резко уменьшается и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при 2·4.86 B и 3·4.86 B. Ближайшим к основному, невозбужденному состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее по шкале энергий на 4,86 В. 43

• 
  Слайд 44
  

  Пока разность потенциалов между катодом и сеткой меньше 4,86 В, электроны, встречая на своем пути атомы ртути, испытывают с ними только упругие соударения. При eφ = 4,86 эВ энергия электрона становится достаточной, чтобы вызвать неупругий удар, при котором электрон отдает атому ртути всю кинетическую энергию, возбуждая переход одного из электронов атома из нормального состояния в возбужденное. 44

• 
  Слайд 45
  

  Электроны, потерявшие свою кинетическую энергию уже не смогут преодолеть тормозящий потенциал и достигнуть анода. Этим и объясняется резкое падение анодного тока при eφ = 4,86 эВ. При значениях энергии, кратных 4,86, электроны могут испытывать с атомами ртути 2, 3, … неупругих соударения, потеряв при этом полностью свою энергию и не достигнуть анода, т.е. должно наблюдаться резкое падение анодного тока. Что действительно наблюдалось на опыте. 45

• 
  Слайд 46
  

  Таким образом, опыт показал, что электроны передают свою энергию атомам ртути порциями, причем 4,86 эВ – наименьшая возможная порция которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Следовательно, идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний блестяще выдержала проверку экспериментом. 46

• 
  Слайд 47
  

  Атомы ртути, получившие при соударении с электронами энергию , переходят в возбужденное состояние и должны вернуться в основное, излучая при этом, согласно второму постулату Бора, квант света с частотой По известному значению Е = 4,86 В можно вычислить длину волны светового кванта 47

• 
  Слайд 48
  

  Таким образом, если теория верна, то атомы ртути, бомбардируемые электронами с энергией 4,86 эВ, должны являться источником ультрафиолетового излучения с  ≈ 255 нм, что действительно обнаруживает одну ультрафиолетовую линию с  ≈ 255 нм. Таким образом, опыты Франка и Герца экспериментально подтвердили не только первый, но и второй постулат Бора. Эти опыты сыграли огромное значение в развитии атомной физики. 48