Глава 8. Электронные оболочки
В атоме водорода
Мы уже знаем, что в атоме водорода электрон может находиться только на определенных расстояниях от ядра. Эти расстояния определяют уровни энергии электрона внутри атома согласно уравнению (46.8). Возникает вопрос, какова форма орбит электрона? Резерфорд считал их плоскими окружностями, как у планет солнечной системы (планетарная модель атома). С этим вряд ли можно согласиться. Планета удерживается возле Солнца полем гравитации, а электрон – кулоновским полем. Эти поля разные и действуют они по-разному. Для планет не имеет значение вращение Солнца. В нашем случае вращением ядра пренебрегать нельзя. Протон заряжен, а при вращении заряженной частицы возникает циркуляция тока, которая создаёт поток поля. Это поле аналогично полю рамки Фарадея с током B = I S, где B – магнитная индукция. Очевидно, поток поля ядра должен, по правилу Лоренца, влиять на траекторию вращения электрона. Рассмотрим подробнее.
Мысленно охватим протон сферой радиуса r. На сфере обозначим экватор и нулевой меридиан. Точка их пересечения имеет нулевую долготу. Для простоты предположим, что электрон начинает вращение вокруг ядра из нулевой точки вдоль нулевого меридиана к северному полюсу сферы. Без учета силы Лоренца электрон должен прокатиться по меридиану и вернуться в нулевую точку. Но поток поля ядра влияет на движение электрона. Структура потока, как уже говорилось, приблизительно совпадает с полем витка с током, осью которого является ось вращения протона. Из магнитной теории следует, что магнитная индукция поля протона приблизительно описывается уравнением B = 2Pm/r3 (52.1), где Pm – магнитный момент ядра: Pm = eћ/2mp (52.2), где mp – масса протона. Решение уравнения (52.1) является непростой задачей. К счастью, нам это не требуется. Считается, что магнитное поле действует перпендикулярно скорости электрона (сила Лоренца). Вовторых, сила Лоренца невелика, так как масса протона почти в 2000 раз больше массы электрона, а это значит, что индукция поля ядра мала. Так как сила Лоренца не влияет на величину скорости электрона, радиус r не изменится, хотя орбита электрона уже не будет простой окружностью.
|
|
|
Допустим, скорость электрона в начальный момент направлена вдоль меридиана. Сила Лоренца, согласно правилу правой руки, действует на электрон перпендикулярно его скорости. Поэтому электрон сойдёт с нулевого меридиана, пролетит мимо северного полюса, затем, повернув на юг, пролетит мимо южного полюса, направится на север и пересечёт экватор уже на некотором расстоянии λ от нулевой точки. Заметим, в этот момент скорость электрона уже не перпендикулярна экватору, а составляет с ним угол α. Таким образом, первый виток траектории электрона получился незамкнутым: он больше похож на виток спирали с шагом λ. После второго витка электрон пересечет экватор уже на расстоянии 2 λ от нулевой точки, а угол α станет ещё меньше. Через n витков электрон пересечет экватор в точке с долготой, равной n λ/r (рад). При некотором n = n1 угол α будет равен нулю. В этот момент скорость электрона направлена по касательной к экватору. Легко понять, что α = 0, когда n1 λ/r = π/2. Далее, наступит момент, когда при n = n2, n2λ/r = π, а угол α = – π/2. При n = n3, когда n3 λ/r = 3π/2, угол α снова равен нулю. Наконец, при n = n4, когда n4 λ/r = 2π, угол α опять равен π/2, как в начале движения. Если в этот момент электрон попадёт в нулевую точку, в дальнейшем его движение повторится. Очевидно, такая траектория будет стабильна. Следовательно, условие стабильности можно записать в виде: n λ = 2πr (52.3).
|
|
|
Перепишем (52.3) в виде: r = n λ/2π (52.4). Так как n – целое число, из уравнения (52.4) следует, что радиусы r (а значит, и уровни энергии электрона), должны быть кратными определённой величине. Таким образом, из условия стационарности (52.4) орбиты электрона вытекает линейчатость спектра атома водорода, которая была открыта опытным путем. Величина λ пропорциональна, очевидно, магнитной индукции B поля ядра на расстоянии r и обратно пропорциональна скорости электрона v = ωr. Это можно записать в виде уравнения: λ = k В/ωr (52.5), где k – некоторый коэффициент. Подставляя (52.1) в (52.5), получаем (с учётом 52.2): λ = keћ/mpωr4 (52.6). Решая уравнения (52.6), можно вычислить значения λ для разных орбит.
|
|
|
Нам удалось выяснить, что орбита электрона в атоме водорода не является плоской окружностью. Так и должно быть, поскольку мы живем в трехмерном мире и даже такой микрообъект, как атом водорода, должен занимать какой-то объем. Орбита электрона в атоме водорода скорее напоминает нить, намотанную, как клубок, на поверхность воображаемой сферы, причем конец нити совпадает с её началом. Назовем эту воображаемую геометрическую фигуру «сфераль». Если бы электрон оставлял след, то, двигаясь по сферали, он за долю наносекунды «заштриховал» бы вокруг ядра сферу радиуса r. Человек, не различающий промежутки времени меньше 0.01 с, должен воспринимать эту траекторию как сплошную поверхность, поскольку электрон успевает побывать во всех её точках меньше, чем за один миг. Можно сказать, электрон на стационарной орбите создаёт сплошную оболочку. Если электрон поглощает или излучает фотон, радиус электронной оболочки меняется, принимая одно из разрешенных значений (47.4).
|
|
|
Атом гелия и другие
Курс элементарной физики принято заканчивать атомом водорода, хотя во Вселенной существуют гелий, литий и другие атомы. Рассмотрим коротко устройство атома гелия, который по-своему интересен. Известно, что ядро гелия содержит два протона и два нейтрона. Физики называют его α-частицей. Атом гелия должен содержать два электрона, чтобы компенсировать двойной положительный заряд ядра. Гелий образуется примерно так. Сначала в результате каких-то ядерных реакций возникает свободная α-частица. Попав в облако электронов, α-частица захватывает электрон, который начинает вращаться вокруг неё по сферали, разрешённой для атома гелия. При этом образуется ион гелия, состоящий из ядра и одного электрона. Это напоминает атом водорода, но с другими уровнями энергии для электрона. Такое водородоподобное состояние длится недолго. Вскоре ион гелия захватывает второй электрон, чтобы стать нейтральным атомом. Возникает вопрос, на какой сферали будет находиться второй электрон, ведь первая уже как бы занята?
Спектральные измерения показали, что атом гелия имеет водородоподобный спектр. Это вызвало недоверие у теоретиков, поскольку два электрона не могут находиться на одной орбите. Действительно, применение более точных спектрометров выявило, что линии гелия являются дублетными (двойными) – при оптическом увеличении они расщепляются на две. Это означает, что электроны в атоме гелия вращаются на разных орбитах, хотя и очень близких по радиусу. Как такое могло случиться? Ответ подсказывает «магнитная» теория. Электрон, как и протон, тоже вращается вокруг своей оси. Это вращение создает для него собственный «магнитный» момент, который взаимодействует с полем ядра. Так на фоне относительно сильного кулоновского притяжения возникает более слабое магнитное взаимодействие электрона и ядра. Магниты могут притягиваться или отталкиваться. Предположим, электрон вращается вокруг своей оси так, что его магнитное поле отталкивается от поля ядра. Значит, радиус орбиты электрона станет немного больше. Такой электрон создаёт оболочку с несколько большим радиусом, чем следует из теории Бора. Очевидно, α-частица может захватить второй электрон, если его вращение противоположно вращению первого электрона. Тогда его магнитное поле будет притягиваться к ядру. Радиус второго электрона будет немного меньше, чем следует из теории Бора. У атома гелия образуется двухслойная электронная оболочка с небольшим зазором между слоями. Этот зазор определяет ширину расщепления линий гелия в спектре. Благодаря яркой дублетной линии в видимой части спектра гелий был сначала обнаружен в спектре Солнца и только потом, как вещество, на Земле. Этим гелий и интересен.
Из квантовой теории следует вывод, что линии водорода тоже должны быть дублетными, поскольку протону при захвате электрона безразлично направление вращения последнего. Поэтому в любой порции водорода присутствуют атомы, где ядро и электрон вращаются в одну сторону, и атомы, где они вращаются в разные стороны. При наложении спектров этих атомов их линии попадают на близкие, но разные участки. Для выявления такого расщепления требуются чувствительные спектрометры.
Из курса химии известно, что за гелием следует атом лития, который в нейтральном состоянии содержит три электрона. Два из них, имеющие противоположные магнитные моменты, образуют внутреннюю двойную оболочку, как у гелия. Для третьего электрона здесь места уже нет. Поэтому третий электрон занимает место на внешней сферали, образуя наружную сферическую оболочку. Эта структура, похожая на атом водорода, должна иметь водородоподобный спектр. Так как связь внешнего электрона с ядром ослаблена, линии спектра лития должны быть смещены в инфракрасную область.
С увеличением порядкового номера атомов вещества возрастает его плотность. В плотном (сконденсированном) состоянии внешние оболочки атомов начинают влиять друг на друга так, что меняется их форма. Так в атоме углерода (порядковый номер 6) четыре внешних электрона образуют не сферические, а веретенообразные оболочки. Это как если взять слабо надутый воздушный шар и растянуть его вдоль диаметра. Характеристикой такой оболочки является длинная ось. Атом углерода интересен тем, что длинные оси четырех оболочек внешних электронов располагаются в пространстве симметрично вдоль воображаемых диагоналей куба. Этим объясняется твердость алмаза, так как куб раздавить нелегко.
Глава 9. Волна или частица?
Опыт Тейлора
Мы уже говорили о волне как о форме передачи энергии через материальную среду. При определенных условиях можно наблюдать, как волны, например, на воде, усиливают или гасят друг друга. Это явление называют интерференцией. По направлению колебаний частиц среды волны могут быть продольными или поперечными. Например, при накачивании колеса ручным насосом возникают продольные волны, так как частицы воздуха колеблются вдоль движения поршня. В волнах на воде частицы среды колеблются поперек направления волны. Как это происходит? Свежий ветер морщинит водную поверхность, вздымая гребни. За каждым гребнем следует впадина. Чем выше гребень, тем больше он давит весом на поверхность воды. Когда давление ветра сравнивается с давлением воды на дне впадины, рост гребня прекращается. Так энергия ветра переходит в энергию поперечной волны (напомним, что в физике волной называют всю последовательность гребней и впадин). Энергия волны пропорциональна весу гребня, умноженному на одну треть его высоты. В этой «картине маслом» ясно одно: волна на воде поперечна потому, что её снизу подпирает давление глубины. Гребню просто некуда деваться, как выпучиваться вверх, в воздух. Очевидно, поперечная волна возникает только на границе между средами с разными плотностями. В однородной среде таких волн быть не может. Возникает естественный вопрос: при чём тут свет? Обратимся к истории.
Кто-то из корифеев (наверное, Джинс) сказал, что свет – это самое тёмное место в физике. Ещё Ньютон установил, что при определённых условиях лучи света могут усиливать или гасить друг друга. Считалось, что свойство волн. Затем Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, перемещающихся со скоростью света. Из его теории следовало, что свет – это электромагнитная волна. Пропуская луч света через особые кристаллы, ученые доказали, что если свет это волна, то волна поперечная. Возникает вопрос: что за среда колеблется при переносе электромагнитной энергии? Сначала предположили, что колеблется эфир – прозрачное однородное невесомое вещество, в которое погружены все тела. Майкельсон поставил эксперимент, который прямо показал, что «эфира» вокруг Земли не существует.
Тогда ученые предположили, что электромагнитная волна сама себе среда, а перемещается она следующим образом. В течение первого полупериода волны колебание потока электрического поля создаёт колебание циркуляции магнитного поля. Во время второго полупериода колебание циркуляции магнитного поля создаёт перед собой колебание потока электрического поля. Затем всё повторяется. Так в вакууме выстраивается дорожка света. Эта теория была признана и вошла в учебники, хотя вопрос, почему электрическое поле колеблется поперек движения волны, остался без ответа. Проблема обострилась, когда Эйнштейн легко объяснил свойства фотоэффекта, предположив, что луч света является не волной, а потоком фотонов. Вопрос был поставлен ребром: свет это волна или частица ? Волновую теорию пытались дополнить, предположив, что фотоны так взаимодействуют в потоке, что их плотность меняется волновым образом.
Тогда Тейлор взял установку для демонстрации дифракции света и немного доработал её. Напомним, что дифракцией называют свойство волны огибать препятствия. Например, морская волна легко проходит сквозь рыбачью сеть и огибает столбики. Ничего особенного в этом нет. Но если волна мелкая и частая, а столбик толстый, он разделяет волну на две части, которые сходятся за столбиком. Если при схождении частей волны гребень попадает на гребень, получается гребень двойной высоты. Если впадина попадает на впадину, получается впадина двойной глубины. Если гребень попадает во впадину, поверхность воды сглаживается. Таким образом, дифракцией называют явление, когда на некотором участке за препятствием для волны получается устойчивое чередование гребней и впадин, причем непосредственно за препятствием (где для потока частиц должна быть мертвая зона и гладь), при схождении полуволн образуется самый высокий гребень. Похожая картина возникает, когда волну заставляют проходить через ряд близко расположенных щелей. Это явление принято называть дифракцией на щелях. Заметим, щели можно рассматривать как промежутки между близко расставленными столбиками, а дифракцию на столбике мы уже «проходили».
В установке Тейлора имелась лампочка, луч света от которой направлялся на экран. Препятствием для луча служила очень тонкая иголочка. На экране получалась дифракционная картина. Прямо напротив иглы на экране возникала светлая полоска, как при складывании гребней волны. В стороны от неё чередовались темные (впадины) и светлые (гребни) полоски, чем дальше, тем слабее.
«Если свет это поток фотонов», – подумал Тейлор, – «Я смогу сделать его ничтожно редким». Он уменьшил накал лампочки до минимума и установил перед иглой несколько светофильтров. По расчетам Тейлора, в секунду на иголку попадало не больше одного фотона. Значит, ни о каком коллективном взаимодействии частиц не могло быть и речи. Он поместил установку в светонепроницаемый кожух, установил вместо экрана фотопластинку, повесил табличку «Не выключать!», взял отпуск и уехал кататься на яхте. Когда Тейлор вернулся через месяц, отдохнувший и загорелый, он проявил фотопластинку и увидел, что следы двух миллионов фотонов, поочередно попадавших в мишень в течение месяца, сложились на фотопластинке в классическую дифракционную картину. Для тех, кто успел поверить в теорию квантов, это был настоящий шок.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 126; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!