Атом водорода

В начале XX века было экспериментально доказано, что атом состоит из ядра и электронов. Резерфордом в результате опытов по рассеянию α-частиц на тонкой фольге (золото, серебро, медь и др.) была предложена планетарная модель строения атома. Согласно этой модели:

  • атом имеет положительно заряженное ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома;
  • в ядре сконцентрирована почти вся масса атома;
  • электроны вращаются вокруг ядра по орбитам (почти как планеты вокруг Солнца).

Рис. 1. Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц
Рис. 2. Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов

Планетарная модель, однако, противоречит классической физике. Электрон, вращаясь с центростремительным ускорением, излучает электромагнитные волны, и это должно сопровождаться потерей энергии. В результате согласно классическим представлениям атом Резерфорда оказывается неустойчивым.

Законы классической механики оказались неприменимы к атому. Н. Бор предпринял попытку спасти планетарную модель атома Резерфорда. Он сформулировал три положения , получивших название квантовых постулатов Бора.

  • Атомная система может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает.
  • При переходе из стационарного состояния n в стационарное состояние m излучается (поглощается) квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:
  • Третий постулат Бора предлагает правило нахождения стационарных орбит.

В применении к атому водорода квантовые постулаты Бора приводят к тому, что радиусы круговых электронных орбит можно найти по формуле:
rn = r1n2,
где  – наименьший радиус орбиты электрона в атоме водорода. Низшее энергетическое состояние атома (n = 1) называется основным. Для атома водорода энергия основного состояния равна:
E1 = –21,7·10–19 Дж = –13,6 эВ.
Эта энергия называется энергией ионизации.

Согласно второму постулату Бора, возможные частоты излучения атома водорода определяются формулой:
где R = 3,29·1015 Гцпостоянная Ридберга. Теория Бора объяснила возникновение линейчатых спектров и смысл целых чисел, входящих в формулы для спектральных линий водорода. Для других атомов эту теорию построить не удалось.

Рис. 3. Образование спектральных серий в атоме водорода

Постулат Бора о существовании стационарных орбит электронов в атоме находится в согласии с гипотезой де Бройля. На каждой такой орбите укладывается целое число волн де Бройля. В этом случае на стационарных орбитах образуются стоячие волны де Бройля.

Атом Резерфорда, подчиняющийся квантовым постулатам Бора, получил название атома Резерфорда–Бора.