Muat turun(pautan terus) : fdvek3kn1979.djvu Sebelumnya 1 .. 13 > .. >> Seterusnya
Jadi, ia serta-merta menjadi jelas bahawa atom kebanyakannya terdiri... daripada kekosongan. Perlanggaran langsung yang jarang berlaku harus difahami dengan cara ini: di dalam atom terdapat nukleus bercas positif Elektron terletak berhampiran nukleus. Mereka sangat ringan dan oleh itu tidak menimbulkan halangan yang serius kepada zarah alfa. Elektron memperlahankan zarah alfa, tetapi setiap perlanggaran elektron individu tidak dapat memesongkan zarah dari laluannya.
Rutherford mengakui bahawa daya interaksi antara nukleus atom yang bercas serupa dan zarah alfa ialah daya Coulomb. Selanjutnya dengan mengandaikan bahawa jisim atom tertumpu pada nukleusnya, dia mengira kebarangkalian zarah terpesong oleh sudut yang ditentukan dan memperoleh persetujuan yang cemerlang antara teori dan eksperimen.
Inilah cara ahli fizik menguji model yang mereka hasilkan.
Adakah model meramalkan keputusan eksperimen? - Ya. ,
Jadi adakah ia mencerminkan realiti?
Nah, mengapa begitu keras? Model ini menerangkan beberapa fenomena, yang bermaksud ia adalah baik. Dan penjelasannya adalah untuk masa depan...
Keputusan eksperimen Rutherford tidak meninggalkan keraguan tentang kesahihan pernyataan berikut: elektron di bawah pengaruh kuasa Coulomb bergerak berhampiran nukleus.
Beberapa teori juga diikuti dari teori tersebut. anggaran kuantitatif, yang disahkan kemudian. Saiz terkecil nukleus atom ternyata lebih kurang 10"" 13 cm, manakala dimensi atom adalah dari urutan 10-8 cm ^
Dengan membandingkan keputusan eksperimen dengan pengiraan, ternyata mungkin untuk menganggarkan caj nukleus berlanggar. Penilaian ini memainkan peranan yang besar, jika bukan yang utama, dalam tafsiran undang-undang berkala struktur unsur.
Jadi, model atom telah dibina. Tetapi ia segera timbul soalan seterusnya. Mengapa elektron (zarah bercas negatif) tidak jatuh ke nukleus (bercas positif)? Mengapa atom stabil?
Apa yang tidak dapat difahami di sini, pembaca akan katakan. Lagipun, planet tidak jatuh pada Matahari.. Kekuatan asal elektrik adalah, seperti daya graviti, daya sentripetal dan menyediakan Edaran Bulatan elektron berhampiran nukleus.
Tetapi hakikatnya ialah analogi antara sistem planet dan hanya membawa atom watak dangkal. Seperti yang akan kita ketahui kemudian, dari sudut pandangan undang-undang am medan elektromagnet atom mesti memancar gelombang elektromagnet. Walau bagaimanapun, anda mungkin tidak tahu teori elektromagnetisme. Jirim, iaitu atom,
mampu memancarkan cahaya dan haba. Jika ya, maka atom kehilangan tenaga, yang bermaksud elektron mesti jatuh ke nukleus.
Apakah jalan keluar? Ia adalah sangat "mudah": anda perlu memahami fakta dan meningkatkan fakta ini ke taraf undang-undang alam. Langkah ini diambil pada tahun 1913 oleh ahli fizik hebat abad kita, Niels Bohr (1885-1962).
KUANTISASI TENAGA
Seperti semua langkah pertama, langkah ini agak pemalu. Kami akan gariskan undang-undang baru alam semula jadi, yang bukan sahaja menyelamatkan atom Rutherford, tetapi juga memaksa kita untuk membuat kesimpulan bahawa mekanik badan besar tidak boleh digunakan untuk zarah berjisim kecil.
Alam semula jadi distrukturkan sedemikian rupa sehingga beberapa kuantiti mekanikal, seperti momentum sudut dan tenaga, untuk mana-mana sistem zarah yang berinteraksi tidak boleh mempunyai siri berterusan nilai. Sebaliknya, atom yang kita bincangkan sekarang, atau nukleus atom, struktur yang akan kita bicarakan kemudian, mempunyai urutan tahap tenaganya sendiri, ciri hanya bagi sistem tertentu. Terdapat tahap paling rendah (sifar). Tenaga sistem tidak boleh kurang daripada nilai ini. Dalam kes atom, ini bermakna terdapat keadaan di mana elektron berada pada jarak minimum tertentu dari nukleus.
Perubahan dalam tenaga atom hanya boleh berlaku secara tiba-tiba. Jika lompatan berlaku "naik", ini bermakna atom menyerap tenaga. Jika lompatan berlaku "turun," maka atom mengeluarkan tenaga.
Kita akan lihat kemudian bagaimana spektrum pelepasan pelbagai sistem boleh dihuraikan dengan indah daripada kedudukan ini.
Undang-undang yang dirumuskan dipanggil undang-undang kuantisasi tenaga. Kita juga boleh mengatakan bahawa tenaga mempunyai sifat kuantum. ~
Perlu diingatkan bahawa undang-undang mengenai kuantisasi adalah sepenuhnya watak umum. Ia terpakai bukan sahaja kepada atom, tetapi kepada mana-mana objek yang terdiri daripada berbilion-bilion atom. Tetapi apabila berhadapan dengan badan besar, kita selalunya boleh "tidak perasan" kuantisasi tenaga.
Hakikatnya, secara kasarnya, untuk objek yang terdiri daripada satu bilion bilion atom, bilangan tahap tenaga meningkat sebanyak satu bilion bilion kali. Tahap tenaga akan menjadi sangat rapat antara satu sama lain sehingga boleh digabungkan. Oleh itu, kita tidak akan melihat diskret nilai yang mungkin tenaga. Jadi mekanik yang kami gariskan dalam buku pertama secara praktikal tidak berubah bila kita bercakap tentang tentang badan besar.
Dalam buku kedua kami mendapati bahawa pemindahan tenaga dari satu badan ke badan yang lain boleh berlaku dalam bentuk kerja dan dalam bentuk haba. Kami kini berada dalam kedudukan untuk menerangkan perbezaan antara kedua-dua bentuk pemindahan tenaga ini. Pada kesan mekanikal(katakan apabila dimampatkan) tahap tenaga peralihan sistem. Anjakan ini sangat tidak ketara dan hanya dikesan melalui eksperimen halus dan hanya jika tekanannya cukup tinggi. Untuk tindakan haba, maka ia terdiri daripada menukar sistem daripada lebih Level rendah tenaga ke lebih tinggi (pemanasan) atau dari tinggi ke lebih rendah (penyejukan).
Apakah yang memegang elektron dalam atom dalam orbit nukleus atom?
Pada pandangan pertama, terutamanya jika anda melihat versi kartun atom yang saya terangkan sebelum ini dengan segala kelemahannya, elektron yang beredar mengelilingi nukleus kelihatan sama seperti planet yang mengorbit matahari. Dan nampaknya prinsip proses ini adalah sama. Tetapi ada tangkapan.
Rajah 1
Apakah yang mengekalkan planet dalam orbit mengelilingi Matahari? DALAM Graviti Newton(Einstein lebih rumit, tetapi kita tidak memerlukannya di sini) mana-mana sepasang objek tertarik antara satu sama lain dengan interaksi graviti, berkadar dengan hasil jisim mereka. Secara khusus, graviti Matahari menarik planet-planet ke arahnya (dengan daya yang berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara mereka. Iaitu, jika jarak dibelah dua, daya itu menjadi empat kali ganda). Planet-planet juga menarik Matahari, tetapi ia sangat berat sehingga ini hampir tidak memberi kesan kepada pergerakannya.
Inersia, kecenderungan objek untuk bergerak dalam garis lurus tanpa adanya daya lain yang bertindak ke atasnya, bekerja melawan tarikan graviti, dan akibatnya, planet-planet bergerak mengelilingi Matahari. Ini boleh dilihat dalam Rajah 1, yang menunjukkan orbit bulat. Biasanya orbit ini berbentuk elips - walaupun dalam kes planet ia hampir bulat, kerana itulah bagaimana ia terbentuk sistem suria. Untuk pelbagai batu kecil (asteroid) dan bongkah ais (komet) yang bergerak dalam orbit mengelilingi Matahari, ini tidak lagi berlaku.
Begitu juga, semua pasangan objek bercas elektrik menarik atau menolak antara satu sama lain, dengan daya juga berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara mereka. Tetapi tidak seperti graviti, yang sentiasa menarik objek bersama-sama, daya elektrik boleh menarik atau menolak. Objek yang mempunyai sama, positif atau caj negatif, ditolak. Dan objek bercas negatif menarik objek bercas positif, dan begitu juga sebaliknya. Oleh itu frasa romantis "menarik lawan."
Oleh itu, nukleus atom bercas positif di pusat atom menarik elektron ringan yang bergerak di belakang atom ke arah dirinya, sama seperti Matahari menarik planet. Elektron juga menarik nukleus, tetapi jisim nukleus adalah lebih besar sehingga daya tarikannya hampir tidak mempunyai kesan ke atas nukleus. Elektron juga menolak antara satu sama lain, yang merupakan salah satu sebab mereka tidak suka menghabiskan masa dekat antara satu sama lain. Seseorang mungkin menganggap elektron dalam atom bergerak dalam orbit mengelilingi nukleus dengan cara yang sama seperti planet bergerak mengelilingi matahari. Dan pada pandangan pertama, ini adalah apa yang mereka lakukan, terutamanya dalam atom kartun.
Tetapi inilah tangkapannya: ia sebenarnya adalah helah berganda, dan setiap satu daripada dua helah itu mempunyai kesan bertentangan antara satu sama lain, menyebabkan mereka membatalkan satu sama lain!
Tangkapan berganda: bagaimana atom berbeza daripada sistem planet
Rajah 2
Tangkapan pertama: tidak seperti planet, elektron yang bergerak dalam orbit mengelilingi nukleus mesti mengeluarkan cahaya (lebih tepat lagi, gelombang elektromagnet, di mana cahaya adalah salah satu contoh). Dan sinaran ini sepatutnya menyebabkan elektron menjadi perlahan dan jatuh dalam lingkaran ke arah nukleus. Pada dasarnya, dalam teori Einstein terdapat kesan yang sama - planet boleh memancarkan gelombang graviti. Tetapi ia sangat kecil. Tidak seperti kes dengan elektron. Ternyata elektron dalam atom mesti sangat cepat, dalam pecahan kecil sesaat, jatuh dalam lingkaran ke nukleus!
Dan mereka akan melakukannya jika bukan kerana mekanik kuantum. Bencana yang berpotensi digambarkan dalam Rajah. 2.
Tangkapan kedua: tetapi dunia kita berfungsi mengikut prinsip mekanik kuantum! Dan ia mempunyai prinsip ketidakpastian yang menakjubkan dan berlawanan dengan intuisi. Prinsip ini, yang menerangkan hakikat bahawa elektron adalah gelombang seperti zarah, patut mendapat artikelnya sendiri. Tetapi inilah yang perlu kita ketahui tentang dia untuk artikel hari ini. Akibat umum Prinsip ini adalah mustahil untuk mengetahui semua ciri sesuatu objek pada masa yang sama. Terdapat set ciri yang mana mengukur salah satu daripadanya menjadikan yang lain tidak pasti. Satu kes ialah lokasi dan kelajuan zarah seperti elektron. Jika anda tahu dengan tepat di mana elektron itu, anda tidak tahu ke mana ia pergi, dan begitu juga sebaliknya. Adalah mungkin untuk mencapai kompromi dan mengetahui dengan sedikit ketepatan di mana ia berada dan mengetahui dengan sedikit ketepatan ke mana ia pergi. Dalam atom, ini adalah bagaimana semuanya berfungsi.
Katakan elektron jatuh dalam lingkaran ke atas nukleus, seperti dalam Rajah. 2. Apabila ia jatuh, kita akan mengetahui lokasinya dengan lebih dan lebih tepat. Kemudian prinsip ketidakpastian memberitahu kita bahawa kelajuannya akan menjadi semakin tidak menentu. Tetapi jika elektron berhenti di nukleus, kelajuannya tidak akan pasti! Sebab itu dia tidak boleh berhenti. Jika dia tiba-tiba cuba jatuh dalam lingkaran, dia perlu bergerak lebih cepat dan lebih pantas secara rawak. Dan peningkatan kelajuan ini akan membawa elektron dari nukleus!
Jadi aliran lingkaran menurun akan dilawan oleh aliran menaik. pergerakan pantas mengikut prinsip ketidakpastian. Imbangan ditemui apabila elektron terletak pada jarak pilihan dari nukleus, dan jarak ini menentukan saiz atom!
Rajah 3
Jika elektron pada mulanya jauh dari nukleus, ia akan bergerak ke arahnya dalam lingkaran, seperti ditunjukkan dalam Rajah. 2, dan memancarkan gelombang elektromagnet. Tetapi akibatnya, jaraknya dari nukleus akan menjadi cukup kecil untuk prinsip ketidakpastian melarang pendekatan selanjutnya. Pada peringkat ini, apabila keseimbangan antara sinaran dan ketidakpastian telah ditemui, elektron mengatur "orbit" yang stabil di sekeliling nukleus (lebih tepat, orbital - istilah ini dipilih untuk menekankan bahawa, tidak seperti planet, elektron, disebabkan oleh kuantum mekanik, tidak mempunyai orbit seperti yang dimiliki planet). Jejari orbit menentukan jejari atom (Rajah 3).
Ciri lain - bahawa elektron tergolong dalam fermion - memaksa elektron untuk tidak turun ke jejari yang sama, tetapi untuk berbaris dalam orbital yang berbeza jejari.
Berapa besar atom? Penghampiran berdasarkan prinsip ketidakpastian
Malah, kita boleh menganggarkan saiz atom secara kasar menggunakan pengiraan sahaja interaksi elektromagnet, jisim elektron dan prinsip ketidakpastian. Untuk kesederhanaan, kami akan melakukan pengiraan untuk atom hidrogen, di mana nukleus terdiri daripada satu proton, di mana satu elektron bergerak.
Prinsip ketidakpastian menyatakan:
$$paparan$$m_e (Δ v) (Δ x) ≥ ℏ$$paparan$$
di mana ℏ berada pemalar Planck h dibahagikan dengan 2 π. Perhatikan bahawa dia mengatakan bahawa (Δ v)(Δ x) tidak boleh terlalu kecil, yang bermaksud bahawa kedua-dua penentu tidak boleh terlalu kecil, walaupun salah satu daripadanya boleh menjadi sangat kecil jika yang lain sangat besar.
Apabila atom mengendap ke dalam keadaan dasar pilihannya, kita boleh menjangkakan tanda ≥ bertukar menjadi tanda ~, di mana A ~ B bermaksud "A dan B tidak betul-betul sama, tetapi tidak terlalu berbeza sama ada." Ini adalah simbol yang sangat berguna untuk penilaian!
Untuk atom hidrogen dalam keadaan dasar, di mana ketidakpastian kedudukan Δx akan lebih kurang sama dengan jejari atom R, dan ketidakpastian halaju Δv akan lebih kurang sama dengan kelajuan biasa V elektron di sekeliling atom, kita memperoleh:
Bagaimana untuk mengetahui R dan V? Terdapat hubungan antara mereka dan daya yang menyatukan atom. Dalam fizik bukan kuantum, objek berjisim m, terletak dalam orbit bulat berjejari r, dan bergerak dengan kelajuan v mengelilingi objek pusat yang menariknya dengan daya F, akan memenuhi persamaan.
Ini tidak terpakai secara langsung kepada elektron dalam atom, tetapi ia berfungsi lebih kurang. Daya yang bertindak dalam atom ialah daya elektrik, yang mana proton dengan cas +1 menarik elektron dengan cas -1, dan akibatnya persamaan itu mengambil bentuk
di mana k ialah pemalar Coulomb, e ialah unit cas, c ialah kelajuan cahaya, ℏ ialah pemalar Planck h dibahagikan dengan 2 π, dan α ialah pemalar yang kita takrifkan. struktur halus, sama dengan . Kami menggabungkan dua persamaan sebelumnya untuk F, dan anggaran hubungan adalah seperti berikut:
Sekarang mari kita gunakan ini pada atom, di mana v → V, r → R, dan m → m e. Mari kita darabkan juga persamaan atas dengan . Ini memberikan:
Dalam langkah terakhir kami menggunakan hubungan ketidakpastian kami untuk atom, . Sekarang kita boleh mengira jejari atom R:
Dan ternyata hampir tepat! begitu anggaran mudah tidak akan memberikan anda jawapan yang tepat, tetapi mereka akan memberikan anggaran yang sangat baik!
Betapa baiknya pembaca! Mereka bukan sahaja mengasihi dan menghormati guru sejarah semula jadi, tetapi mereka juga tahu bagaimana model atom Bohr menjelaskan bahawa elektron tidak jatuh ke nukleus.
Atau adakah mereka jatuh?
Soalan "mengapa elektron tidak jatuh ke nukleus" tidak menyebut fakta bahawa kita bercakap secara eksklusif tentang atom satu elektron. Model atom Bohr (dan mekanik kuantum lama secara umum) tidak mengatakan apa-apa tentang kestabilan atom dan molekul banyak elektron. Hakikat bahawa "kejatuhan" tidak berlaku dalam atom satu elektron tidak menjamin perkara yang sama untuk sistem lain. Jika anda pakar lama teori kuantum dan berjanji untuk membantu guru sejarah semula jadi, kemudian membawa penaakulan anda ke penghujungnya. Sebagai contoh, saya memerlukan bukti kedudukan umum tidak diketahui.
P.S. Model Bohr boleh menerangkan dengan baik keadaan singlet dan triplet bagi molekul diatomik ringkas. Kami menemui ini, bagaimanapun, hanya pada tahun 2005, tetapi lebih baik lewat daripada tidak sama sekali. Pembinaannya agak hadapan:
Berfungsi sedikit lebih teruk daripada teori GL asal tentang ikatan kimia. Dengan pembinaan, elektron dijamin tidak jatuh pada nukleus (hurray!), tetapi model itu sendiri jauh dari semangat daripada mengukur invarian adiabatik. Saya melihat sesuatu yang serupa dilakukan untuk ion H2+, tetapi dalam versi yang lebih canggih. Ideanya adalah untuk mengukur bukan kamiran itu sendiri, tetapi jumlahnya:
Mereka mungkin akan melakukan ini selama dua puluh atau tiga puluh tahun jika Schrödinger tidak menghasilkan persamaannya. Fikirkan bagaimana untuk melakukan perkara kecil ini dengan yang lama mekanik kuantum- bukan mudah. Pearson - peneraju kimia kuantum, ahli Akademi Kebangsaan, Herschbach - selain itu Pemenang Nobel. Terdapat banyak lagi di hadapan anda tugas yang susah. Kita perlu mencipta apa yang gagal dicapai oleh Bohr: kerja teori umum sistem multielektronik. Selepas ini, yang tinggal hanyalah membuktikan kes am kestabilan semua orbit elektron.
Semoga berjaya.
P.P.S. Oleh kerana saya tidak mempunyai keinginan untuk membincangkan topik bahawa kestabilan sistem Coulomb banyak zarah dalam (baru) mekanik kuantum dijelaskan oleh orang yang bersebelahan dengan Hamiltonian, fasa Bulan, dsb., pengulas dinasihatkan untuk membaca
Ngomong-ngomong, mengapa prinsip ketidakpastian Heisenberg sahaja tidak menjelaskan kestabilan atom (seperti yang didakwa oleh krim Internet yang dikeluarkan oleh Google) ditulis pada ms 554-555 esei ini, bahagian I.
Caj positif nukleus dan cas negatif elektron berada dalam keadaan seimbang, itulah sebabnya elektron tidak jatuh pada nukleus dan tidak terbang darinya. Namun, dalam keadaan tertentu, keseimbangan ini mesti diganggu, iaitu, elektron mesti secara literal runtuh ke nukleus, menyebabkan kematian atom sebelum waktunya. Tetapi walaupun dari fakta bahawa planet, bintang dan manusia masih wujud, adalah jelas bahawa ini berlaku hanya dalam keadaan yang sangat spesifik. Keadaan ini berlaku apabila cas nukleus (iaitu, bilangan proton di dalamnya) melebihi 137 (pengiraan terkini telah menaikkan angka ini kepada 170), dan kemudian secara teorinya elektron tidak sepatutnya jatuh ke nukleus, tetapi menjana di sana. rakan sejawatannya dari antiworld - positron, yang kemudiannya terbang ke ruang sekeliling dan melakukan pelbagai perkara.
Nukleus atom buatan yang terdiri daripada lima dimer kalsium pada graphene, dalam awan elektron yang terletak di sempadan runtuh (di sini dan di bawah, ilustrasi oleh M. Crommie).
"Atom sedemikian, seperti yang dijangkakan, akan runtuh, "mengambil" elektron dari vakum, menariknya ke nukleus dan mendapat lebihan cas," jelas Leonid Levitov dari (AS), salah seorang pengarang. pekerjaan baru khusus untuk topik ini.
Ia nampaknya satu andaian yang sangat baik - dalam erti kata ia tidak dapat disangkal dengan kukuh: kita masih belum dapat mencari nukleus atom di atas 118 sama ada dalam alam semula jadi atau menciptanya secara buatan. Selama bertahun-tahun sekarang, ahli fizik telah berharap untuk mengambil kubu kuat, jika bukan dengan kelaparan, maka dengan licik. Memandangkan unsur-unsur berat tersebut tidak boleh diperolehi, ia cuba mencapai kesan yang sama dengan melanggar dua nukleus (contohnya, uranium dengan nombor atom 92) pada penganjur zarah. "Eksperimen sedemikian telah dijalankan selama beberapa dekad," kata Encik Levitov mengulas mengenai situasi itu. Tetapi, sudah tentu, tidak ada bukti jelas tentang keruntuhan atom.
Oleh itu, pengarang karya berkenaan mencadangkan menggunakan helah baharu untuk mensimulasikan keruntuhan sedemikian. Dalam graphene - kekisi atom karbon tebal monatomik - elektron, disebabkan topologi luar biasa bahan ini, berkelakuan seperti zarah tidak berjisim, walaupun sebenarnya ia mempunyai jisim. Walau bagaimanapun, ia bergerak pada kelajuan yang jauh lebih rendah daripada zarah tak berjisim sebenar. Ini bermakna bahawa keadaan yang secara rasmi serupa dengan keruntuhan atom dengan penyertaan elektron tersebut boleh disebabkan dengan jumlah cas nuklear yang sama.
Ahli fizik menggunakan pasangan atom kalsium (dimer) pada substrat graphene sebagai pengganti nukleus atom. Menggunakan sebagai manipulator pengimbasan mikroskop terowong, mereka menerima bukti yang jelas tentang satu peristiwa yang sama sepenuhnya dengan keruntuhan nukleus atom.
Elektron normal di sekeliling nukleus biasa (seperti yang anda dan saya terhasil) dan elektron ultra-relativistik di sekeliling nukleus superkritikal yang tidak stabil.
Apabila tiga dimer sedemikian cukup dekat antara satu sama lain, medan elektron di sekeliling menunjukkan spektrum resonans tertentu yang betul-betul sepadan dengan yang diramalkan untuk keruntuhan atom sedekad yang lalu. Resonans yang diperhatikan juga dipelihara untuk "nukleus atom" tiruan empat dan lima dimer.
Walaupun idea eksperimen itu adalah untuk mengesahkan ramalan mekanikal kuantum lama tentang keruntuhan atom, aplikasinya mungkin agak praktikal. Pertama, ternyata, adalah mungkin untuk mengkaji banyak sifat graphene, yang kini sedang dipromosikan secara aktif sebagai bahan untuk elektronik. Kedua, sensitiviti "atom" buatan pada graphene membolehkan kita berharap untuk penggunaan struktur seperti pengesan bahan kimia dan biomarker.