Сайтът все още се разработва и може да има грешки и неточности. Ако забележиш такава, пиши ни на ninelibera@gmail.com.

Атомът

🎯 Манчестър, 1909 г. Ърнест Ръдърфорд дава на студента Ърнест Марсдън „упражнение“: да брои в тъмното проблясъците от , минали през тънко златно фолио. Почти всички минават право, но приблизително една на няколко хиляди отскача назад. По-късно Ръдърфорд разказва, че това е било толкова невероятно, колкото ако изстреляш снаряд по лист тънка хартия, а той се върне и те удари. От това „невъзможно“ отскачане се ражда идеята за атомното ядро.

1. Опитът на Ръдърфорд

През 1897 г. Джоузеф Томсън открива електрона – отрицателна частица, около 1836 пъти по-лека от водородния атом. Щом атомът е неутрален, в него трябва да има и положителен . Томсън предлага модела на „сливовия пудинг“: положително заредена сфера с размер на атома, в която са пръснати електроните. В такъв атом е слабо навсякъде и тежките, бързи α-частици (ядра на хелия, заряд +2e+2e) би трябвало да се отклоняват най-много с части от градуса.

Ханс Гайгер и Ърнест Марсдън обаче откриват, че някои частици се връщат назад – при техния опит с платинено фолио около една на 8000. През 1911 г. Ръдърфорд обяснява резултатите: целият положителен заряд и почти цялата маса на атома са събрани в мъничко ядро, а електроните са далеч около него. Частица, която мине близо до ядрото, усеща огромна (виж Електростатика) и може да отскочи назад.

Т

Най-малко разстояние при челен удар

α-частица с кинетична енергия EkE_k лети право към ядро със заряд ZeZe. Тя спира, когато цялата ѝ енергия стане потенциална: Ek=k⋅2e⋅ZedE_k = \frac{k \cdot 2e \cdot Ze}{d}, т.е. d=2Zke2Ekd = \frac{2Zke^2}{E_k}. Удобно е ke2≈1,44 MeV⋅fmke^2 \approx 1{,}44\ \mathrm{MeV \cdot fm}, където 1 fm=10−15 m1\ \mathrm{fm} = 10^{-15}\ \mathrm{m}. Ядрото е по-малко от dd – иначе частицата би го „докоснала“.

Пример

α-частиците от радиоактивния източник на Гайгер и Марсдън имат до около 7,7 MeV. Колко близо до ядро на златото (Z = 79) могат да стигнат?

  1. d=2⋅79⋅1,44 MeV⋅fm7,7 MeV≈29,5 fm≈3⋅10−14 md = \frac{2 \cdot 79 \cdot 1{,}44\ \mathrm{MeV \cdot fm}}{7{,}7\ \mathrm{MeV}} \approx 29{,}5\ \mathrm{fm} \approx 3 \cdot 10^{-14}\ \mathrm{m}
  2. Атомът на златото е с радиус около 1,4⋅10−10 m1{,}4 \cdot 10^{-10}\ \mathrm{m} – почти 5000 пъти повече. Ядрото е още по-малко: днес знаем, че радиусът му е около 7 fm.
bядро20 fm
d =45,5 fmθ =132,5°r_min =47,6 fmR_ядро + R_α ≈8,9 fm

Отклонение над 90° имат само частиците с b < d/2 = 22,8 fm. Атомът е десетки хиляди пъти по-голям от ядрото – повечето частици минават далеч от ядрото.

💡 Сивите линии са сноп α-частици с различни прицелни параметри b – разстоянието, на което частицата би подминала ядрото, ако то не я отблъскваше. Синята е избраната частица, пунктирът – най-близкото ѝ разстояние до ядрото. Пробвай b = 0 (челен удар) и по-ниска енергия. При алуминия и висока енергия частиците стигат до ядрото – така по-късно е оценен размерът на ядрата.

Т

Ъгъл на разсейване (за олимпиадите)

Траекторията на α-частицата е хипербола. Ако без отблъскването тя би подминала ядрото на разстояние bb (прицелен параметър), ъгълът на отклонение θ\theta се намира от tg⁡θ2=d2b\operatorname{tg}\frac{\theta}{2} = \frac{d}{2b}. Колкото по-близо минава, толкова повече се отклонява; на повече от 90° се отклоняват частиците с b<d2b < \frac{d}{2}.

2. Планетарният модел и неговият проблем

Най-простата картина е като Слънчевата система: електроните обикалят около ядрото, а ролята на гравитацията играе кулоновото привличане. Но тук класическата физика се проваля. Електрон, който обикаля по окръжност, има , а ускорен заряд излъчва (виж Променлив ток и ЕМ вълни). Той би губил енергия и би паднал по спирала в ядрото – по пресмятане за около 10−11 s10^{-11}\ \mathrm{s}. Освен това би излъчвал непрекъснат , а нагретите газове светят само с отделни спектрални линии (виж урока Светлина и спектри). Атомите очевидно са устойчиви – значи нещо в класическата картина е грешно.

3. Моделът на Бор

През 1913 г. Нилс Бор, който работи при Ръдърфорд, предлага смело решение. Той не обяснява защо, а постулира как се държи атомът – и проверява следствията с опита.

О

Постулати на Бор

1) Електронът се движи само по определени (стационарни) орбити и докато е на тях, не излъчва. 2) Позволени са орбитите, на които моментът на импулса е кратен на ℏ=h2π\hbar = \frac{h}{2\pi}: mvr=nℏmvr = n\hbar, n=1,2,3,…n = 1, 2, 3, \ldots 3) При преход от орбита с енергия EmE_m към орбита с по-ниска енергия EnE_n атомът излъчва фотон с hf=Em−Enhf = E_m - E_n; при поглъщане е обратно.

Да пресметнем орбитите. Кулоновата сила е центростремителна (виж Въртене): mv2r=ke2r2\frac{mv^2}{r} = \frac{ke^2}{r^2}. Заедно с mvr=nℏmvr = n\hbar това дава скоростта vn=ke2nℏv_n = \frac{ke^2}{n\hbar} и радиуса. Пълната енергия е кинетичната плюс потенциалната: E=mv22−ke2r=−ke22rE = \frac{mv^2}{2} - \frac{ke^2}{r} = -\frac{ke^2}{2r} – отрицателна, защото електронът е свързан.

Т

Орбити и енергии във водорода

rn=n2a0r_n = n^2 a_0, където a0=ℏ2mke2≈0,053 nma_0 = \frac{\hbar^2}{mke^2} \approx 0{,}053\ \mathrm{nm} е радиусът на Бор; En=−13,6 eVn2E_n = -\frac{13{,}6\ \mathrm{eV}}{n^2}. За йон с един електрон и заряд на ядрото ZeZe (He⁺, Li²⁺): rn=n2a0Zr_n = \frac{n^2 a_0}{Z}, En=−13,6 eV⋅Z2n2E_n = -\frac{13{,}6\ \mathrm{eV} \cdot Z^2}{n^2}.
nEₙ, eVrₙ, nm
1−13,60,053
2−3,400,212
3−1,510,476
4−0,850,847
∞0–

Пример

С каква скорост се движи електронът в основното състояние на водорода?

  1. v1=ke2ℏ=8,99⋅109⋅(1,6⋅10−19)21,055⋅10−34≈2,19⋅106 m/sv_1 = \frac{ke^2}{\hbar} = \frac{8{,}99 \cdot 10^9 \cdot (1{,}6 \cdot 10^{-19})^2}{1{,}055 \cdot 10^{-34}} \approx 2{,}19 \cdot 10^6\ \mathrm{m/s}
  2. Това е около c137\frac{c}{137} – достатъчно малко, за да не се налага теорията на относителността.

Основно състояние е n=1n = 1 – най-ниската енергия. Енергия на йонизация е енергията, която откъсва електрона: за водорода от основно състояние тя е 13,6 eV. е енергията, която получава електрон, ускорен с 1 V: 1 eV=1,6⋅10−19 J1\ \mathrm{eV} = 1{,}6 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{J}.

4. Излъчване и поглъщане на светлина

Когато електронът премине от по-високо ниво mm на по-ниско nn, атомът излъчва един с енергия hf=Em−Enhf = E_m - E_n. Понеже нивата са определени, определени са и – затова спектърът е линеен. Подробно сериите на водорода (Лайман, Балмер, Пашен) и спектралният анализ на звездите са разгледани в урока Светлина и спектри.

Т

Енергия и дължина на вълната на фотона

λ=hcΔE\lambda = \frac{hc}{\Delta E}. Удобно е hc≈1240 eV⋅nmhc \approx 1240\ \mathrm{eV \cdot nm}, т.е. λ[nm]≈1240ΔE[eV]\lambda[\mathrm{nm}] \approx \frac{1240}{\Delta E[\mathrm{eV}]}. Видимата светлина (380–750 nm) отговаря на фотони от около 1,65 до 3,3 eV.

Пример

Каква е дължината на вълната при прехода 3 → 2 във водорода?

  1. ΔE=13,6(14−19)≈1,89 eV\Delta E = 13{,}6\left(\frac{1}{4} - \frac{1}{9}\right) \approx 1{,}89\ \mathrm{eV}
  2. λ≈12401,89≈656 nm\lambda \approx \frac{1240}{1{,}89} \approx 656\ \mathrm{nm} – червената линия Hα, която оцветява мъглявините в розово-червено.
E = 0 (n = ∞)n = 1: −13,6 eVn = 2: −3,4 eVn = 3: −1,51 eV4, 5УВ ←→ ИЧ400 nm500 nm600 nm700 nm
Премести електрона на ниво:
E₃ =−1,51 eV

Избери ново ниво: към по-ниско атомът излъчва фотон, към по-високо – трябва да погълне фотон с точно тази енергия.

💡 Вляво са енергиите на нивата, вдясно – орбитите на Бор (радиусите растат като n²; при He⁺ са два пъти по-малки). Видимите линии на водорода са само четири – преходите към n = 2 от n = 3, 4, 5, 6. Сравни ги с линиите на He⁺: енергиите му са Z² = 4 пъти по-големи.

Поглъщането е огледално: атомът поема фотон само ако енергията му е точно равна на разликата между две нива. Затова студен газ пред ярък източник „изрязва“ тъмни линии от спектъра. Изключение е йонизацията: всеки фотон с повече от 13,6 eV може да откъсне електрона от основно състояние, а излишъкът става . Ако атоми са възбудени до ниво nn, те могат да се върнат по различни пътища; всяка двойка нива дава линия, затова броят на възможните линии е n(n−1)2\frac{n(n - 1)}{2}.

5. Опитът на Франк и Херц

Спектрите показват нивата чрез светлината. През 1914 г. Джеймс Франк и Густав Херц ги „опипват“ с електрони. В тръба с живачни пари електроните се ускоряват с UU и се удрят в атомите. Докато енергията им е под 4,9 eV, ударите са еластични: лекият електрон отскача, без да губи енергия. Стигне ли 4,9 eV, той може да възбуди атома и да му предаде точно тази енергия. през колектора пада рязко на всеки 4,9 V.

KGAускоряващо напрежение 12 V−1,5 V4,9 eV1,5 eVE4,99,814,719,624,529,4IU, V
удари:2E пред G =2,2 eVI ≈24 %

Електронът е възбудил 2 атома и пак има достатъчно енергия да преодолее спирачното поле – токът расте.

💡 Горе е тръбата: електроните излизат от катода K и се ускоряват до решетката G, а между G и колектора A има малко спирачно напрежение. В средата е енергията на електрона по пътя: при 4,9 eV той възбужда атом и губи цялата натрупана енергия. Там газът свети (при живака – в ултравиолетовото, 254 nm, затова зоните са невидими). Долу е токът: спадовете се повтарят през 4,9 V. Моделът е идеализиран – в истинската тръба кривата е изместена с контактната потенциална разлика.

Пример

Възбуденият живачен атом се връща в основно състояние. Каква е дължината на вълната на излъчения фотон?

  1. λ≈12404,9≈253 nm\lambda \approx \frac{1240}{4{,}9} \approx 253\ \mathrm{nm}
  2. Франк и Херц наистина откриват, че парите излъчват ултравиолетовата линия на живака 254 nm – енергията, взета от електрона, се връща като фотон.

За разлика от фотона, електронът може да предаде само част от енергията си – останалата той запазва. Затова с електронен удар се възбуждат атоми при всяка енергия над прага, а с фотони – само при точни енергии. Франк и Херц получават Нобелова награда през 1925 г.

6. Лазерът

Възбуденият атом обикновено се връща в основно състояние сам след около 10−8 s10^{-8}\ \mathrm{s} – това е спонтанно излъчване, в произволна посока и момент. През 1917 г. Айнщайн показва, че има и стимулирано излъчване: фотон с подходяща енергия, който мине покрай възбуден атом, го кара да излъчи втори фотон, напълно еднакъв с първия – със същата честота, посока и фаза. Двата стават четири, осем… – светлината се усилва.

О

Инверсна заселеност

Обикновено повечето атоми са на по-ниското ниво и поглъщат фотоните, преди те да се размножат. Усилване има само ако на горното ниво има повече атоми, отколкото на долното – инверсна заселеност. Постига се с „изпомпване“ (светлина, ток) към ниво, от което атомите бързо падат на метастабилно ниво с дълъг живот (при рубина – милисекунди).

Средата е между две огледала, едното от които пропуска малко светлина. Фотоните минават напред-назад и се усилват; излиза тесен, почти едноцветен и кохерентен сноп (виж Вълнова оптика). LASER е съкращение от „усилване на светлината чрез стимулирано излъчване“. Първият лазер е рубиненият на Теодор Мейман (1960 г., 694 nm); хелий-неоновият свети при 632,8 nm, а полупроводниковите лазери са в показалките, четците на баркод и оптичните мрежи.

Пример

Хелий-неонов лазер (632,8 nm) има мощност 1 mW. Каква енергия има един фотон?

  1. E=1240632,8≈1,96 eV≈3,14⋅10−19 JE = \frac{1240}{632{,}8} \approx 1{,}96\ \mathrm{eV} \approx 3{,}14 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{J}
  2. За секунда излизат 10−33,14⋅10−19≈3,2⋅1015\frac{10^{-3}}{3{,}14 \cdot 10^{-19}} \approx 3{,}2 \cdot 10^{15} фотона.

7. Отвъд модела на Бор

Моделът на Бор дава точно енергиите на водорода и на с един електрон, но не и на атомите с повече електрони, нито яркостта на линиите. Луи (1924 г.) дава просто обяснение на правилото mvr=nℏmvr = n\hbar: ако електронът е вълна с λ=hmv\lambda = \frac{h}{mv}, на орбитата трябва да се събират цял брой дължини на вълната, 2πr=nλ2\pi r = n\lambda – като на струна (виж Фотони и фотоефект). Квантовата механика (Шрьодингер, Хайзенберг, 1925–1926 г.) отива по-далеч: електронът няма определена орбита, а само вероятност да бъде намерен на дадено място – „електронен облак“ (). Енергиите на водорода обаче остават същите като при Бор.

8. Тренажор

Пресметни исканата величина. Десетичните отговори въвеждай като 3,4; отрицателните – със знак минус.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0
атоми, възбудени до n=3\text{атоми, възбудени до}\ n = 3

Брой различни спектрални линии при връщането: N=?N = ?

9. Атомите около нас

0 / 5

🔴 Лазерна показалка

Червена лазерна показалка свети с дължина на вълната 650 nm и мощност 1 mW. Колко фотона излъчва за секунда?

💡 Луминесцентна лампа

Живачните пари в луминесцентната лампа излъчват главно ултравиолетова светлина с 254 nm. Луминофорът по стените я поглъща и свети във видимата област, например при 550 nm. Каква е енергията на фотона преди и след луминофора?

🧪 Спектрална тръба

В тръба с водород в основно състояние електрони се ускоряват с напрежение U. Какво е най-малкото U, при което ще се появи червената линия Hα (преход 3 → 2)?

⚛️ Атом колкото квартал

Диаметърът на протона е около 1,7 fm, а на водородния атом в основно състояние – около 0,106 nm. Ако протонът се увеличи до топче с диаметър 1 cm, колко голям ще е атомът?

🌠 Зеленото полярно сияние

Зеленият цвят на полярните сияния идва от линия на кислорода с дължина на вълната 557,7 nm. Колко е разликата между енергиите на двете нива на атома?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

10. ⚠️ Чести грешки

Положителна енергия

✗ E2=+3,4 eV\displaystyle E_2 = +3{,}4\ \mathrm{eV}

✓ свързаният електрон има En<0\displaystyle E_n < 0; E=0\displaystyle E = 0 е свободен електрон в покой

Радиусът расте като n

✗ r3=3a0\displaystyle r_3 = 3a_0

✓ rn=n2a0\displaystyle r_n = n^2 a_0, т.е. r3=9a0\displaystyle r_3 = 9a_0

Дължина на вълната от ниво

✗ λ=1240E3\displaystyle \lambda = \frac{1240}{E_3}

✓ фотонът носи разликата: λ=1240E3−E2\displaystyle \lambda = \frac{1240}{E_3 - E_2}

Атомът поглъща всеки фотон

✗ фотон 5 eV възбужда водорода

✓ само ако hf\displaystyle hf е точно разлика между нива (или над енергията на йонизация)

Йон с Z = 2

✗ E1(He+)=2⋅(−13,6) eV\displaystyle E_1(\mathrm{He^+}) = 2 \cdot (-13{,}6)\ \mathrm{eV}

✓ енергията расте като Z2\displaystyle Z^2: E1=−54,4 eV\displaystyle E_1 = -54{,}4\ \mathrm{eV}

Брой линии

✗ от n=4\displaystyle n = 4 има 3 линии

✓ всяка двойка нива: 4⋅32=6\displaystyle \frac{4 \cdot 3}{2} = 6 линии

11. 🎯 Бърз тест

1 / 9
✓ 0

Какво показа опитът на Гайгер и Марсдън с α-частици и златно фолио?

12. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво В· Национален кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво С· Международна олимпиада

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

13. Обобщение

  • ✓ Опитът на Ръдърфорд: зарядът и масата на атома са в ядро, десетки хиляди пъти по-малко от атома; при челен удар d=2Zke2Ekd = \frac{2Zke^2}{E_k}
  • ✓ Класическият планетарен модел е неустойчив – затова Бор постулира стационарни орбити и mvr=nℏmvr = n\hbar
  • ✓ Водород: rn=n2a0r_n = n^2 a_0, a0≈0,053 nma_0 \approx 0{,}053\ \mathrm{nm}; En=−13,6 eVn2E_n = -\frac{13{,}6\ \mathrm{eV}}{n^2}; за йон с един електрон – по Z2Z^2
  • ✓ Фотон при преход: hf=Em−Enhf = E_m - E_n, λ[nm]≈1240ΔE[eV]\lambda[\mathrm{nm}] \approx \frac{1240}{\Delta E[\mathrm{eV}]}; от ниво nn – до n(n−1)2\frac{n(n - 1)}{2} линии
  • ✓ Франк и Херц: електроните губят енергия на порции от 4,9 eV в живачни пари – нивата съществуват
  • ✓ Лазер: стимулирано излъчване + инверсна заселеност + огледала → кохерентен едноцветен сноп

💡 Интересен факт

Атомите могат да бъдат огромни. При n=100n = 100 орбитата на Бор има радиус 104a0≈0,5 μm10^4 a_0 \approx 0{,}5\ \mu\mathrm{m} – колкото малка . Такива „ридбергови атоми“ се разрушават от най-слабия удар, но в разредения междузвезден газ оцеляват. Радиотелескопите улавят от мъглявините линии от преходи между такива нива – например линията на водорода при прехода 110 → 109 е с честота около 5 GHz ( около 6 cm).