Модель атома Резерфорда і Бора

Важливим наслідком теорії Резерфорда була вказівка на заряд атомного центра, що Резерфорд поклав рівним ±Ne. Заряд виявився пропорційним атомній вазі. “Точне значення заряду центрального ядра не було визначено,- писав Резерфорд, - але для атома золота воно приблизно дорівнює 100 одиницям заряду”. З наступних досліджень і експериментів Гейгера і Мардсена, що почали перевірку формул Резерфорда, виникло уявлення про ядро, як стійку частину атома, що несе в собі майже всю масу атома й позитивним зарядом (Резерфорд вважав знак заряду невизначеним). При цьому число елементарних зарядів виявилося пропорційним атомній вазі.

Заряд ядра виявився найважливішою характеристикою атома. У 1913 році було показано, що заряд ядра збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва. Бор писав: ”Із самого початку було ясно, що завдяки великій масі ядра і його малої довжини в просторі порівняно з розмірами всього атома будова електронної системи повинне залежати майже винятково від повного електричного заряду ядра. Такі міркування відразу наводили на думку про те, що вся сукупність фізичних і хімічних властивостей кожного елемента може визначатися одним цілим числом...”

Ядерна модель атома Резерфорда одержала свій подальший розвиток завдяки роботам Нільса Бора, у яких вчення про будову атома нерозривно пов’язується з вченням про походження спектрів.

Бор (Bohr) Нільс Хенрік Давид (1885-1962)

Лінійні спектри виходять при розкладанні світла що випускається розпеченими газами чи парами. Кожному елементу відповідає свій спектр, що відрізняється від спектрів інших елементів. Більшість металів дає дуже складні спектри, що містять величезне число ліній (у заліза до 5000), але зустрічаються і порівняно прості спектри.

Після знайомства з Резерфордом Бор, відмовившись від вивчення електронної моделі, почав роботу в його групі. Звернувшись до планетарної моделі, Бор створив на її основі теорію атома Резерфорда-Бора. Резерфорд зрозумів революційний характер ідей Бора й обговорив з ним основи цієї теорії, висловив критичні зауваження, після чого статті Бора були опубліковані.

Під час Першої Світової війни Бор продовжує працювати в лабораторії Резерфорда. У 1915 році він опублікував роботи “Про серійний спектр водню” і “Про квантову теорію випромінювання в структурі атома”. У 1916 році була опублікована стаття Зоммерфельда, де він розглянув рух електрона по еліптичних орбітах і узагальнив правила квантування Бора. Бор із захватом відгукнувся про цю статтю. Теорія атома після відкриттів Зоммерфельда стала називатися теорією Бора - Зоммерфельда.

У 1936 році Бор виступив зі статтею “Захоплення нейтрона і будова ядра”, у якій запропонував краплинну модель ядра і механізм захоплення нейтрона ядром. Дивно, але ні Бор, ні інші не могли відразу пророчити розподіл ядра, що підказується краплинною моделлю, поки на початку 1939 р. не був відкритий розподіл урану.

2. Модель атома Бора

2.1. Планетарна модель атома.

Найпростіший атом водню складається з позитивно зарядженого ядра з зарядом +е (протона) і знаходиться на якійсь орбіті негативно зарядженого електрона -е (тут е - абсолютна величина елементарного заряду, рівна 1,6 •10-19 Кл). Будемо вважати, що протон спочиває, а електрон масою m робить рух по круговій орбіті радіусом r.

Відповідно до теореми Віріала,

Таким чином, повна енергія електрона на орбіті в атомі водню дорівнює половині потенційної енергії:

Підкреслимо, що потенційна енергія електрона негативна, що відповідає тяжінню. Повна енергія також негативна, що відповідає зв'язаному стану електрона. Чим менше радіус орбіти електрона, тим більше по абсолютній величині повна енергія електрона.

Більш складні атоми хімічних елементів складаються з позитивно заряджених ядер, причому заряд Z відповідає номеру елемента в періодичній таблиці елементів Д. И. Менделєєва. Навколо ядра по орбітах обертаються Z електронів, так що в цілому будь-який атом у нормальному стані електрично нейтральний.Описана планетарна модель атома зовсім неприйнятна з погляду законів класичної фізики. Справа в тім, що, як випливає з законів електродинаміки Максвелла, будь-який заряд, що прискорено рухається випромінює електромагнітні хвилі. Тому електрон, рухаючись з центробіжним прискоренням v2/r по орбіті, поступово повинен втрачати енергію і колись упасти на ядро. Можна підрахувати час життя атома водню до моменту падіння електрона на ядро. Виявляється, що атом проіснував би усього близько 10-10 с.