46. Теория атома водорода. Открытие электрона. Модели атома Томсона и Резерфорда. Постулаты Бора при квантовых переходах.

Ответ. Большую роль в развитии атомистической теории сыграл Д. И. Менделеев, разработавший в 1869 г. Периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в. экспериментально было доказано, что электрон является одной из основных составных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. серьезно встал вопрос о строении атома. Первая попытка создания на основе накопленных экспериментальных данных модели атома принадлежит Томсону (1903). Согласно этой модели, атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиусом порядка 10^-10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны; суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален. Через несколько лет было доказано, что представление о непрерывно распределенном внутри атома положительном заряде ошибочно. Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели, вокруг положительного ядра, имеющего заряд Z·e (Z ‒ порядковый номер элемента в системе Менделеева, е ‒ элементарный заряд), размер 10^-15- 10^-14 м и массу, практически равную массе атома. Вокруг ядра по орбитам с диаметрами порядка 10^-10 м движутся (чтобы не упасть на ядро из-за кулоновского притяжения) электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т.е. вокруг ядра вращаются Z электронов. Причём ограничений на величины радиусов орбит электронов планетарная модель не накладывает. Однако: 1) эксперименты показали, что атомы имеют линейчатые спектры излучения и поглощения; 2) при радиусах орбит электронов ≈10^-10 м, скорость их движения (исходя из равенства центробежной и кулоновской сил) должна быть порядка 10⁶ м/с, а ускорение 𝑣² /𝑟 = 10²² м/с2. Но, согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны и, вследствие этого, непрерывно терять энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и, в конце концов, упадут на него. Таким образом, атом Резерфорда также оказывается неустойчивой системой, что противоречит действительности. Преодоление возникших трудностей потребовало создание качественно новой - квантовой теории атома. Основы этой теории были заложены в 1913 году датчанином Нильсом Бором. Он поставил перед собой цель связать в единое целое известную линейчатость спектров, планетарную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. Свою теорию Н. Бор разработал, предположив (в качестве постулатов), что: 1) электроны вращаются в атоме не по любым орбитам, а только по орбитам со строго определёнными радиусами rn, удовлетворяющими равенству: 𝑚_𝑒 ∙ 𝑣 ∙ 𝑟_𝑛 = 𝑛 ∙ ℎ /2𝜋 , где n = 1,2,3…‒ главное квантовое число; 2) движение электронов по этим стационарным орбитам не сопровождается излучением (или поглощением) фотонов (электромагнитных волн); 3) скачок электрона с n-й на k-ю орбиту сопровождается переходом атома из состояния с энергией En в состояние с энергией Ek, при этом электрон может излучить (или поглотить) фотон с энергией: ∆Е𝑛𝑘 = 𝐸𝑛 − 𝐸𝑘 = ℎ𝜈𝑛𝑘^. При 𝐸𝑘 < 𝐸𝑛 происходит излучение фотона, при 𝐸𝑘 > 𝐸𝑛 поглощение фотона. Набор возможных дискретных частот 𝜈𝑛𝑘 = (𝐸𝑛 − 𝐸𝑘) /ℎ квантовых переходов и определяет линейчатый спектр излучения - поглощения атома. Состояние атома в простой модели Бора характеризуют единственным квантовым числом n, которое называют главным квантовым числом. Но объяснить тонкую структуру спектра атома (даже простейшего из них – атома водорода) только значениями n невозможно. Основным недостатком квантовой теории атома по Бору являются: 1) недостаточная обоснованность; 2) неприменимость к решению многих реальных задач (точно эта теория описывает лишь атом водорода).