лекции для нехимиков-1

В 1895 г. французский физик Жан Батист Перрен обнаружил отклонение катодных лучей электрическим полем, доказав тем самым, что они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Наконец, в 1897 г. англичанин Джозеф Джон Томсон и немецкий физик Эмиль Вихерт независимо друг от друга определили отношение заряда электрона к его массе, окончательно доказав его существование.

Трубка Дж. Дж. Томсона, использованная для измерения e/m.

Испущенные катодом С электроны пролетают сквозь щели А и В и попадают на фосфоресцирующий экран. Пучок электронов можно отклонить электрическим (пластины D и Е) или магнитным полем.

Отношение определяется по отклонению пучка, измеряемому с помощью нанесенной на экран шкалы.

Точное значение заряда электрона определил в 1917 г. английский физик Роберт Эндрюс Милликен. На пути к измерению точного значения заряда электрона перед Милликеном встали экспериментальные проблемы, которые он терпеливо решал. Работая с капельками масла, он получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до 4,5 часа. В 1913 г. Милликен опубликовал свое окончательное значение заряда электрона: e = (4,774 ± 0,009)·10–10 электростатических единиц. Полученное значение продержалось более 70 лет. Лишь недавно с помощью новейшей высокочувствительной аппаратуры в него

Роберт Милликен была внесена поправка. Новое значение заряда электрона составляет e

= 4,80298·10–10 электростатических единиц.

Дж. Дж. Томсон сразу же высказал предположение о том, что электроны являются составной частью атома.

Схема опыта Милликена: частички масла впрыскиваются в камеру пульверизатором, часть их проникает через отверстие в верхней положительно заряженной пластине конденсатора в электрическое поле и падает вниз под действием силы тяжести. Определяя скорость падения капель при помощи микроскопа напротив отверстия в передней стенке прибора, можно определить массу капель. В какой-то момент между пластинами пропускают рентгеновские лучи, ионизирующие воздух и выбивающие электроны, которые оседают на каплях.

Регулируя заряд конденсатора, каплю можно «подвесить» и по равенству сил тяжести и электростатического притяжения определить заряд электрона.

Открытие рентгеновских лучей

Изучение катодных лучей привело и к другому важному открытию.

Однажды Уильям Конрад Рентген, чтобы облегчить наблюдения, затемнил комнату и обернул трубку Крукса плотной непрозрачной черной бумагой. К своему удивлению, он увидел на стоявшем неподалеку экране, покрытом флуоресцентным цианоплатинитом бария, полосу флуоресценции. Детально проанализировав результат и исключив возможные ошибки, он установил, что флуоресценция появлялась всякий раз, когда он включал трубку, что источником излучения является именно трубка, а не какая-либо другая часть цепи и что экран флуоресцировал на расстоянии даже почти двух метров от трубки, что намного превосходило возможности катодных лучей.

Лучи проходили не только через бумагу, но и через книгу, деревянный ящик и листовой алюминий. Они давали теневые изображения различных предметов в деревянной и бумажной упаковке и, что произвело наиболее сильное впечатление – Рентген

Уильям Конрад Рентген увидел изображение скелета своей руки, помещенной между упакованной в черную бумагу трубкой и флюоресцирующим экраном.

Окончательно волновая природа X-лучей была доказана лишь в 1913 г., когда Макс Теодор Феликс фон Лауэ обнаружил их дифракцию при прохождении через кристаллы.

Было установлено, что х-лучи – это электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне от 0,01 до 0,1 нм.

Современная версия рентгеновской трубки

Открытие термоэлектронной эмиссии

В 1883 г., экспериментируя с лампой накаливания, Томас Алва Эдисон, амер. изобретатель и миллионер, сделал открытие в области «чистой» науки

– открыл термоэлектронную эмиссию – явление испускания металлической поверхностью при накаливании потока заряженных частиц, опознанных как электроны. Испарение электронов из металла происходит при таких температурах, когда испарение самого материала катода очень незначительно, т.

е. довольно низких температурах.

Открытие радиоактивности

Пытаясь проверить высказанное французским математиком Анри Пуанкаре предположение о том, что X-лучи не связаны с катодными лучами, Антуан Анри Беккерель начал изучение флюоресценции солей урана. Беккерель опубликовал сообщение о том, что сульфат уранила после облучения солнечным светом даёт излучение, засвечивающее завёрнутую в чёрную бумагу фотопластинку. Однако уже через несколько дней Беккерель обнаружил, что соли урана вызывают почернение фотопластинок, даже не будучи облучёнными солнечным светом: они постоянно испускают проникающее излучение. Следует отметить, что о способности нитрата уранила разлагать соли серебра в темноте сооб-

щал ещё в 1858 г. французский естествоиспытатель Ньепс де СенВиктор, однако его исследования в то время не вызвали интереса.

В 1897-1898 гг. французские учёные Пьер Кюри и Мария СклодовскаяКюри установили, что испускание уранового излучения является свойством атома урана; это свойство не зависит от того, в каком соединении находится

А. А. Беккерель уран.

В 1898 г. супруги Кюри обнаружили, что таким же свойством обладает и другой элемент – торий. В том же

году они начали исследования богемской смоляной обманки – одного из природных минералов урана, испускающим более сильное излучение (супруги Кюри предлагают термин радиоактивность), чем чистые соли урана. Результатом их работы стало открытие двух новых радиоактивных элементов – полония и радия.

Супруги Кюри

В 1899 г. английский физик Эрнест Резерфорд обнаружил неоднородность уранового излучения: в магнитном поле лучи разделяются таким образом, что можно выделить две составляющих, соответствующих потокам частиц с положительными и отрицательными зарядами.

Поль Виллар в 1900 г. выделил ещё один тип: лучи, не отклоняющиеся магнитным полем. Резерфорд предложил обозначать эти излучения первыми буквами греческого алфавита: альфа-лучи, бета-лучи и гамма-лучи. Альфа-лучи оказались ядрами изотопа гелия (4Не2+). Беккерель показал, что β-лучи отклоняются магнитным полем в том же направлении и на ту же величину, что и катодные лучи, и, следовательно, пред-

ставляют собой поток электронов. Гамма-лучи представляют собой высокоэнергетичное электромагнитное излучение (λ=0,004…0,2 Å) с огромной проникающей способностью.

Открытие фотоэлектрического эффекта и квантовая теория излучения

В 1887 г. немец Генрих Герц, исследуя резонанс электромагнитных волн, попутно обнаружил явление фотоэффекта. Выяснилось, что чистые металлические поверхности при облучении их светом испускают отрицательно заряженные частицы. Позже было установлено, что это частицы Томсона, электроны. Максимальное значение фототока зависит от интенсивности света, но вопреки классической теории оказалось, что увеличение потока падающей на катод энергии не приводит к увеличению максимальной кинетической энергии испускаемых электронов. С точки зрения волновых представлений о свете этот факт необъясним. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны в освещаемом металле и тем большая энергия должна, казалось бы, передаваться светом электронам. Но эксперименты упорно показывали одно и то же: кинети-

ческая энергия электронов не зависит от интенсивности излучения, а зависит лишь от рода металла и от частоты излучения.

Установка для обнаружения фотоэффекта

Для объяснения фотоэффекта, Альберт Эйнштейн в 1905 г. применил гипотезу нем. ученого Макса Планка.

В 1900г. М. Планк предположил, что лучистая энергия испускается и поглощается телами не непрерывно, а дискретно. При этом, он определил энергию каждой такой порции как Е=h∙ (уравнение Планка), где – частота излучения; h=6,626∙10-34 Дж∙с – постоянная Планка. Т.о. согласно определению Планка квант – это минимальная порция электромагнитного излучения с определенной частотой. В 1905г. А. Эйнштейн при изучении явления фотоэлектрического эффекта пришел к выводу, что электромагнитная энергия существует только в форме квантов, а излучение представляет собой поток неделимых материальных «частиц» – фотонов, энергия которых определяется уравнением Планка. Получается, что при осуществлении фотоэлектрического эффекта энергия света разделена изначально на порции, и когда один из квантов-фотонов попадает на катод, его энергия целиком передается электрону, давая ему возможность покинуть металл.

Ранние модели строения атома (до Резерфорда) и корпускулярно-волновой дуализм

Накопленный экспериментальный материал по новообнаруженным частицам ясно показал, что атом не является неделимым, поэтому множество ученых принялись предлагать свету различные модели строения атома и проверять их «на прочность».

Жан Перрен в 1901 г. высказал предположение о ядерно-планетарном устройстве атома. Подобную же модель предложил в 1904 г. японский физик Хантаро Нагаока. В модели Нагаоки атом уподоблялся планете Сатурн; роль планеты выполнял положительно заряженный шар, представляющий собой основную часть объёма атома, а электроны располагались подобно спутникам Сатурна, образующим его кольца. Немецкий физик Филипп фон Ленард попытался создать модель, не предполагающую раздельного суще-

ствования в атоме противоположных зарядов. Атом, согласно модели Ленарда, состоит из нейтральных частиц, каждая из которых является электрическим дуплетом. Однако наиболее широкое распространение получила т.н. модель атома «пудинг с изюмом»: в 1902 г. Уильям Томсон (лорд Кельвин) высказал предположение о том, что атом представляет собой сгусток положительно заряженной материи, внутри которого равномерно распределены электроны.

У. Томсон, 1902 г.

Современная квантово-механическая теория строения атома основана, в том числе, на представлении о корпускулярно-волновых свойствах микрочастиц и, в частности, электрона.

В 1924 г. франц. ученый Луи де Бройль защитил диссертацию, в которой содержались принципиально-новые воззрения на свойства частиц материи. Он выдвинул идею о том, что любые микрочастицы: электроны, фотоны, атомы и т.д., являются одновременно материальными образованиями (корпускулами) и волнами, т.е. имеют двойственную природу.

Движение электрона по де Бройлю – волновой процесс и электрону, имеющему массу m и скорость v, соответствует волна длиной

h . mv

И те и другие свойства вполне можно обнаружить экспериментально, что и было проделано.

В 1927 году Клинтон Джозеф Дэвиссон и Лестер Хэлберт Джермер в исследовательском центре Bell Labs демонстрируют дифракцию медленных электронов на никелевых кристаллах (независимо от Дж. Томсона). Дифракционная картина подобна той что получается при прохождении сквозь кристалл пучка рентгеновских или гамма-лучей. До принятия гипотезы де Бройля, дифракция

расценивалась как исключительно волновое явление.

Дэвиссон и Джермер

Эксперимент Дэвиссона-Джермера. Электроныс низкой энергией рассеиваются на угол φ кристаллом никеля и регистрируются ионизационной камерой. Кинетическую энергию электронов можно изменять, меняя ускоряющее напряжение электронной пушки

О корпускулярных свойствах микрочастиц свидетельствуют явления фотоэффекта и эффект Комптона.

Эффект Комптона (Комптон-эффект) — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами. Обнаружен американским физиком Артуром Холли Комптоном в 1923 году для рентгеновского излучения.

При столкновении фотона электромагнитной волны с электроном часть энергии фотона передается электрону, вследствие чего наблюдается уменьшение частоты волны и

увеличение ее длины.

Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. В классической электродинамике рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние)

не сопровождается уменьшением её частоты.

Объяснить эффект Комптона в рамках классической электродинамики невозможно. С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину волны не должна. Эффект Комптона является прямым доказательством квантования электромагнитной волны, другими словами подтверждает существование фотонов.

2.1. Модель атома Резерфорда

В 1906-1909 гг. Ганс Гейгер, Эрнст Марсден и Эрнест Резерфорд, пытаясь найти экспериментальные подтверждения модели Томсона, провели опыты по рассеиванию α- частиц на золотой фольге. В качестве источника α-частиц ими был взят радий, а частицы, претерпевавшие рассеяние в тонкой золотой фольге, регистрировались по сцинтилляционным вспышкам на замкнутом экране из сульфида цинка, находящемся в затемненной

комнате.

Результат опытов оказался совершенно противоположным ожидаемому. Большинство α-частиц проходило через золотую фольгу по прямым или почти прямым траекториям

так, будто фольги на их пути и вовсе не было, но в то же время редкие α-частицы отклонялись на очень большие углы, что свидетельствовало о наличии в атоме чрезвычайно плотного положительно заряженного образования.

Схема опыта Резерфорда

Схема прохождения α-частиц через металлическую фольгу

Основываясь на этих экспериментальных фактах, Резерфорд в 1911 г. предложил свою планетарную модель атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, объём которого ничтожно мал по сравнению с размерами атома; вокруг ядра вра-

щаются электроны. Исходя из своей модели Резерфорд верно оценил размеры атома и ядра: dат~10–8 см; dяд~10–13 см.

Модель атома Резерфорда при несомненных достоинствах содержала несколько важных противоречий. Тем не менее, она послужила основой для создания принципиально новой теории, которую разработал в 1913 г. датский физик Нильс Хенрик Давид Бор.

2.2. Модель атома Бора

Модель Бора опиралась на несколько фактов и теорий: квантовую гипотезу, которую выдвинул в 1900 г. немецкий физик Макс Планк; серии спектральных линий водорода, которые обнаружили в 1885 г. швейцарский ученый Иоганн Якоб Бальмер, в 1906 г. американский физик Теодор Лайман и в 1909 г. немецкий физик Фридрих Пашен. Эти серии, полученные с помощью простейшего спектроскопа, подчинялись очень простой закономерности: частоты были

пропорциональны разности обратных квадратов целых чисел.

Первым явление дисперсии света обнаружил сэр Исаак Ньютон: он заметил, что солнечный свет, проходящий через небольшое отверстие в ставнях, можно отклонить стеклянной призмой на экран, при этом преломленный призмой белый свет образовывал окрашенную во все цвета радуги полосу – спектр. Теория этого эксперимента легла в основу новых приборов – спектроскопов, усовершенствованных в 1859 году нем. физиком Густавом Робертом Кирхгофом и нем. химиком Робертом Вильгельмом фон Бунзеном. (С помощью спектроскопа гелий в составе Солнца был открыт раньше, чем на Земле).

Конструкция простейшего спектроскопа

Когда пучок непрерывного излучения, например, белый свет, пропускают через газообразный образец какого-либо элемента, в прошедшем через образец пучке недостает излучения с определенными длинами волн. Спектр поглощенного этим образцом излучения называется атомным спектром поглощения. Волны излучения, поглощенного атомами образца, обнаруживаются по темным линиям на фоне непрерывного спектра после прохождения излучения через дифракционную решетку. Если элементы в их газообразном состоянии нагревать до высоких температур или пропускать через них электрический разряд, они испускают излучение с определенными длинами волн. Спектр такого излучения называется атомным спектром испускания, или атомным эмиссионным спектром. Линии в спектре испускания в точности соответствуют линиям в спектре поглощения.

В целом выяснилось, что существуют три характерных вида спектров, излучаемых химическими элементами и соединениями:

1. Сплошные спектры излучаются раскаленными твердыми телами и наличие в них темных и светлых линий не обнаруживается даже спектроскопами с максимальной разрешающей способностью.