Рис. 4
[
вернуться к содержанию сайта]Результаты последних опытов заставляют всё более и более отказываться от простых моделей атома (напр., сферических атомов и т.д.), созданных ранее. При радиоактивном распаде, при всех разрядах, при фотоэлектрических опытах мы наблюдаем появление на атоме заряженных частиц; заряженные положительно имеют массу того же порядка величины, что и атом; отрицательные имеют всегда одну и ту же малую массу, равную 1/1830 массы водородного атома. Так как эти отрицательные частицы – электроны встречаются при столь различных опытах, то естественно предположить, что они, как говорит Дж. Дж. Томсон [
50], составляют строительный материал для атома. Кто пытается построить из них модель атома, должен считать идеальной целью снабжение модели всеми свойствами, наблюдаемыми у действительных атомов. Модель должна быть сравнена с атомом относительно следующих свойств:a) Лучеиспускание без поля: заряженные части атома излучают согласно законам электродинамики энергию при всяком ускоренном движении.
Удовлетворяют ли числа колебаний какой-нибудь спектральной формуле (Бальмер, Кайзер и Рунге, Ридберг, Ритц [
24, 27, 28, 42]) и встречаются ли столь короткие волны, как лучи Рентгена?b) Лучеиспускание в магнитном поле: даёт ли модель явление Зеемана?
c) Лучеиспускание в электрическом поле: даёт ли она явление Штарка?
d) Прохождение света: как обстоит дело с дисперсией?
e) Прохождение лучей Рентгена: какое образуется вторичное излучение?
f) Прохождение α и β-частиц: претерпевают ли они большие отклонения (как они часто наблюдаются) при столкновении с нашей системой?
g) Радиоактивные свойства: могут ли электроны или положительные частицы внезапно выбрасываться нашей системой (которая в целом должна быть нейтральной) и образовывать радиоактивное излучение?
h) Химические свойства: будут ли некоторые системы склонны получать или отдавить электроны, что объясняло бы электроотрицательный и электроположительный характер химических элементов? Может ли модель объяснить периодичность свойства, как она проявляется в Менделеевской системе?
i) Законы, связанные с гипотезой квантов; принимает ли система энергию только в целых кратных какого-либо основного числа колебаний или же она подобным образом отдаёт энергию?
Мы рассмотрим сперва, что дают две больших группы моделей: группа Томсона и Фёппля (I) и группа Резерфорда и Бора (II). Затем мы перейдём к отдельным гипотезам (Ритц, Конвэй, Бык, вихревые атомы Кельвина, новая модель Дж. Дж. Томсона). Хотя они и не связаны между собой, но мы соединим их в группу III.
Эта модель построена именно так, чтобы давать формулу Бальмера или, лучше, общий комплекс Бальмера
ν=
K(1/n12–1/n22)(n1 и n2 – целые числа).
Всегда получается рациональное выражение для ν2, а не для ν, если действующая сила зависит только от координат. Поэтому Ритц заставляет электрон двигаться в магнитном поле: получается сила пропорциональная скорости. Электрон описывает малую круговую орбиту в плоскости перпендикулярной к магнитной силе H в центре. Испытываемая электроном сила eaωH/c (e= электростатически измеренный заряд, c= скорость света, a= радиус орбиты, ω= угловая скорость), лежащая в плоскости орбиты и направленная к её центру, даёт центростремительную силу. ω определяется уравнением
eaωH/c=maω2
ω=
eH/mc.Магнитное поле производится цепью n2–n1 элементарных магнитов, расположенных вдоль оси орбиты (рис. 4). Южный полюс каждого примыкает к северному следующего.
Напряжение полюса каждого равно μ, а длина l. Ближайший полюс отстоит от орбиты на n1l единиц длины.
Отсюда
H= μ/(n1l)2– μ/(n2l)2,
т.е.
ω=
eH/mc=(eμ/mcl2)(1/n12–1/n22)или
ν=ω/2π
=(eμ/2πmcl2)(1/n12–1/n22).Разность получается здесь потому, что поле производится двумя полюсами, квадраты целых чисел – вследствие Ньютонова закона притяжения.
Если различные атомы обладают различным числом элементарных магнитов, но все имеют n2=2, то они вместе испускают серию Бальмера (если и n1 различно, то комплекс Бальмера).
Рис. 4
Если вся система атомов находится под влиянием внешнего магнитного поля h, то Ритц полагает, что каждый атом со своим полем H (большим по сравнению с h) вращается вокруг силовых линий, как это делал бы отдельный электрон. Во вращающейся теперь плоскости электрон движется так, как будто бы поля нет; в излучении встречаются вместо одного числа колебаний три, т.е. объяснён простой триплет.
Г. А. Лоренц показал, что кривая дисперсии (дисперсия как функция числа колебаний) этой системы имеет тот же ход, что у системы с квазиупругой связью.
Отсутствует однако связь вежду движениями системы при бесконечно медленных колебаний и при постоянном поле. При упругой связи медленное движение электрона переходит в покой, когда внешняя сила превращается из медленно меняющейся в постоянную. Для рассматриваемой Ритцом "магнитной" связи движение не прекращается и при постоянной силе.
Ритц принимает, должно быть, кроме сильной "магнитной" связи ещё и слабую квазиупругую.
Поставленная задача: построить модель, в которой электрон поглощает энергию пучка света так, что она как раз равна кванту, т.е. h, умноженному на число колебаний, в момент освобождения электрона. Чтобы получить этот результат, Томсон полагает, что электрон в атоме всюду испытывает отталкивание обратно пропорциональное третьей степени расстояния, а притяжение обратно пропорциональное квадрату расстояния испытывает только в некоторых конических пространствах (с вершиной в центре атома). На некотором расстоянии от центра электрон находится в устойчивом равновесии.
Когда на систему падает свет подходящего периода, электрон начинает колебаться радиально. Каким-нибудь приспособлением мы можем превратить это колебание в колебание, перпендикулярное к радиусу. Работа, потребная для выхода электрона из конуса, равна разности потенциальной энергии внутри и вне конуса. Можно выбрать постоянные в законах сил так, что эта разность равна числу колебаний ν при малых (радиальных) колебаниях, умноженному на 2h. Тогда энергия электрона, ушедшего в бесконечность в пространстве вне конуса, равна hν.
Трудность, однако, заключается в том, что при поглощении энергии число колебаний меняется, так как амплитуда становится большой, и что для радиального удаления электрона внутри конуса нужно меньше энергии, а именно h
ν.В заключение нужно упомянуть о конкретных представлениях, развиваемых Штарком [
47] [65] в связи с его опытами.Мы видели, что модель Резерфорда-Бора даёт превосходные результаты, когда дело касается разъяснения α и β-частиц или измеренных Мозли чисел колебаний лучей Рентгена. В этом отношении она выгодно отличается от всех других.
Рядом с моделью Ритца она даёт объяснение серии Бальмера. Но тут начинаются затруднения. Ни одна из существующих моделей не даёт удовлетворительного объяснения сложных явлений Зеемана и Штарка.
Факты, связанные с гипотезой квантов, показывают, далее, что потребуются существенные новые средства для объяснения в этой области свойств атомов.
Хуже всего обстоит дело с объяснением радиоактивных явлений. Они не получают объяснения в тех частях атома, где лежат орбиты электронов; это заставляет искать его в области ядра, но определённых оснований для этого не существует.
[24] Kaiser & Runge. Handbuch der Spektroskopie.
[27] T. van Lohuizen. Dissertation. Amsterdam.
[28] T. van Lohuizen. Le phénomène de Zeeman et les séries spectrales. Archives du Musée Teyler, Sér.
III, Vol II. W. Ritz. Oeuvres pp. 1, 78, 91, 95, 98, 141, 170.[47] J. Stark. Prinzipien der Atomdynamik.
J. J. Thomson. Electricitу and matter.[54] J. J. Thomson. Structure of the Atom. Phyl. Mag. (6) 26, 1913, p. 1044.
[65] J. Stark. Elektrishe Spectralanalyse chemischer Atome (Leipzig 1914).
Дата установки: 21.04.2011
[
