Реферат: Нильс Бор

Для рассматриваемого периода существенную роль сыграли работы Дж. Дж. Томсона. Исследуя прохождение электрического тока сквозь разря­женные газы, Томсон в 1897 г. показал, что отношение электрического заряда к массе (е/m ) для частиц - носителей катодных лучей (электронов) во много раз больше, чем для ионов водорода при электролизе. На основании получен­ного отношения e/m он высказал гипотезу, что в катодных лучах электриче­ские заряды переносятся "корпускулами", размер и массы которых во много раз меньше размеров атома водорода.

В 1898 г. Томсон определил заряд "корпускулы" и нашел его равным заряду иона водорода при электролизе. Впервые Томсон сделал вывод о существовании элементарной частицы, названой электроном.

Оптические и рентгеновские спектры, модели атома, учение Планка об излучении - основные вехи на пути создания теории атома Бора. До теории атома Бора было выдвинуто много различных гипотез относительно строения атомов ("модели атома"). В 1902 г. Вильям Томсон (Лорд Кельвин) предположил, что атом имеет вид сферы, равномерно наполненной положительным электричеством. Внутри сферы находится такое число электронов, которое эквивалентно заряду самого шара. Дж. Дж. Томсон широко разработал и усовершенствовал модель атома Вильяма Томсона. Он изучил условия равновесия различных групп электронов внутри сферы с положительным зарядом. Электроны, находящиеся внутри положительного шара, должны совершать гармонические, колебательные движения, вызывая, тем самым, испускание атомами лучистой энергии, которое дает резкие спектральные линии.

Бор придавал большое значение стремлению Дж. Дж. Томсона объяснить периодическую систему исходя из устойчивости различных электронных конфигураций. Он писал: "Со времени знаменитой попытки Дж. Дж. Томсона истолковать периодическую систему на основании исследования устойчивости различных электронных конфигураций идея о разделении электронов в атоме на группы стала исходным пунктом и более новых воззрений. Предположение Томсона, о распределении положительного заряда в атоме, оказалась несовместимо с опытными результатами, полученными на основании изучения ра-

- 8 -

диоактивных веществ. Тем не менее, эта работа содержит много оригинальных мыслей, и оказала большое влияние на дальнейшее развитей атомной теории".

Вместе с тем Бор отметил, что объяснение спектральных законов не удавалось согласовать с оценкой числа электронов в атоме, произведенной Дж. Дж. Томсоном из наблюдения рассеяния рентгеновских лучей, использую при этом классическую теорию.

Бор особенно ценил Дж. Дж. Томсона за то, что в те времена, когда многие физики скептически относились к существованию атомов, Томсон начал исследование внутриатомного мира. Существенно для Бора было то, что из общих идей Томсона о соотношении между числом электронов и местом элемента в периодической таблице следовало обобщение, что для любого элемента число электронов вне ядра в нейтральном атоме определяется атомным номером, указывающим положение элемента в таблице Менделеева.

Решающими, однако, для возникновения теории атома Бора были работы Резерфорда и Планка. В 1895 г. в Кавендишскую лабораторию пришел Резерфорд. Первое время он продолжал начатые им ранее работы по приему электромагнитных волн и совершенствовал свой магнитный детектор. Затем он приступил к работе по ионизации газов рентгеновскими лучами. В сентябре 1898 г. Резерфорд переехал в Монреаль, где стал изучать радиоактивные свойства урана и тория. С января 1901 г. Резерфорд работает вместе с Фредериком Соди. Ими было обнаружено, что радиоактивность сопровождают такие превращения, при которых возникают новые элементы. Они показали, что радиоактивность есть атомное явление, связанное с химическими превращениями, в результате которых появляются новые элементы.

Об этом периоде Бор писал, что благодаря экспериментальным открытиям в области радиоактивности положение с изучением составных частей атома значительно изменилось. Изучение прохождения частиц, испускаемых радиоактивными веществами, привело Резерфорда к мысли о ядерном строении атома. Он предположил, что в атоме имеется ядро, заряженное положительным электричеством. Это ядро очень мало по сравнению с размерами всего атома, однако, в нем сосредоточена большая часть массы атома. Вокруг ядра движется строго определенное число электронов.

Бор многократно обращался к оценке деятельности Резерфорда. В 1913 г. в статье "Теория торможения заряженных частиц при прохождении через вещество" он анализировал работу Резерфорда 1911 г., посвященную теории рассеяния -частиц веществом. Бор писал, что в соответствии с теорией рассеяния -частиц веществом, развитой Резерфордом, предполагается, что :

1) атомы вещества состоят из облаков электронов и ядра;

2) электроны удерживаются силами притяжения к ядру;

- 9 -

3) ядро обладает положительным зарядом, равным сумме отрицательных зарядов электронов;

4) на ядро приходится основная часть массы атома;

5) Размеры ядра малы по сравнению с размерами атома;

6) -частица есть ядро атома гелия.

Расчеты Резерфорда навели Бора на мысль, что очень быстрый электрон, пролетающий через атом и сталкивающийся со связанными электронами, теряет свою энергию определенными конечными порциями - квантами. Рассматривая столкновение между свободным и связанным электроном, Бор заключил, что связанный электрон не может приобрести энергию меньшую, чем разность энергий между двумя последовательными стационарными состояниями, а, следовательно, свободный электрон, сталкиваясь с ним, не может терять меньшее количество энергии.

В то время Бор считал, что необходимым следствием теории атома Ре- зерфорда является внутриядерное происхождение - частиц и что быстрые - частицы испускаются ядром.

- 10 -

3. РАЗВИТИЕ УЧЕНИЯ О СПЕКТРАХ.

Во второй половине XIX в. широкое развитие получило изучение оптических спектров. Их разделяют на спектры испускания, поглощения, рассеяния и отражения. Оптические спектры по виду разделяют на линейчатые, полосатые и сплошные.

В 1648 г. в Праге вышло в свет сочинение Иогана Маркуса Марци "Thaumantias", посвященное вопросу о цветах, получающихся при разложении света призмой. До Марци господствовало представление, что цвета возникают в результате смешения в различных пропорциях света с темнотою. Марци же полагал, что свет превращается в цвета только при определенном преломлении в плотных средах, и различные виды цветов являются частями с различными преломлениями.

Систематические опыты по изучению спектров Марци не проводил, их начал Исаак Ньютон. 19 февраля 1672 г. в "Philosopikal Transactions" , было помещено письмо-статья Ньтона к Ольденбургу, секретарю Лондонского королевского общества, где Ньютон отмечал, что световые лучи , различаются в их способности показывать ту или иную особую окраску точно так же, как они различаются по степени преломляемости. Цвета не являются, как думают обыкновенно, видоизменениями света, претерпеваемыми ими при преломлении или отражении от естественных тел, но суть первоначальные, прирожденные свойства света. Критиками Ньютона выступали Гук, Гюйгенс и др.

В 1802 г. Вильям Волластон, английский естествоиспытатель, известный своими исследованиями в области химии, физики, кристаллографии, минералогии, ботаники, медицины, произвел следующий опыт. Солнечные лучи пропускались в комнату через щель шириной 1,25 мм и рассматривались через хорошую призму на расстоянии 3 м от щели. При этом отдельные спектральные области оказались отдаленными друг от друга тонкими черными линиями. Разлагая прямой свет голубой части пламени свечи, Волластон нашел, что здесь нет непрерывного спектра и свет разлагается на пять отдельных полос, удаленных друг от друга.

В 1817 г. темные линии в спектре тщательно изучил немецкий оптик Йозеф Фраугофер. Он усовершенствовал изготовление больших ахроматических объективов, изобрел окулярный микрометр и гелиометр, наблюдал и объяснил наличие линий поглощения в солнечном спектре. В 1821 г. Фраунгофер применил дифракционную решетку для изучения спектров. При измерении дисперсии света в качестве источника служила свеча. При этом он обнаружил в спектре яркую желтую линию. В работе 1815 г. он писал: "Я решил выяснить, можно ли видеть подобную светящуюся линию в солнечном спектре. И с помощью телескопа я обнаружил не одну линию, а большое количество вертикальных линий, резких и слабых. Слабые оказались темнее остальной части

- 11 -

спектра, а некоторые из них были совершенно черными..."

Фраунгофер обнаружил, что желтая линия в спектре свечи в точности совпадает с темной линией D в солнечном спектре. Для исследования спектров он изготовил решетки из тонких, близко расположенных параллельных нитей; кроме того, он наносил на стеклянную пластинку параллельные штрихи. Решетки, изготовленные им, содержали свыше 300 линий на миллиметр. Опыты Фраунгофера по исследованию спектров продолжали Давид Брюстер, Джон Гершель и Фокс Тальбот.

Во второй половине XIX века широкое развитие получило изучение спектров поглощения. Сплошной спектр имеет вид непрерывной полосы, содержащей все части видимого спектра. Линейчатый спектр состоит из определенного числа отдельных линий в спектре. Спектральные линии группируются в серии. Линии в пределах серии сближаются при переходе к более коротким длинам волн. Полосатый спектр состоит из широких полос, более ярких с одной стороны. Пропустив белый свет через среду, поглощающую те или иные лучи, получают спектр поглощения, представляющий сплошной спектр, от которого отняты определенные цвета.

В 1860 г. Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен в работе "Химический анализ с помощью спектральных наблюдений", писали , что ни различие форм соединений, в которых участвуют металлы, ни разнообразие химических процессов в отдельных пламенах, ни громадное различие температур этих пламен, нисколько не влияют на положение спектральных линий, соответствующих отдельным металлам. Больше всего внимание экспериментаторов

привлекал к себе линейчатый спектр. Появилось немало работ, посвященных исследованию спектров различных веществ в зависимости от физических условий. Плюккер и Гитторф указали, что азот, пары серы и некоторых углеводородов в зависимости от физических условий могут дать два или три различных спектра. Оказалось, что при некоторых условиях пары и газы могут давать непрерывный спектр. На протяжении пятидесяти лет (1860-1911) было измерено 120 000 линий между = 2000 и = 7000 А.