Глава 2. Электронное строение атомов

Модель 2.2.  Атом водорода

Программа предназначена для изучения квантовых свойств атомных систем. Она позволяет познакомиться с понятием энергетических уровней атома водорода, с правилом квантования стационарных боровских орбит, а также с квантовыми переходами между уровнями.

Первый шаг на пути создания квантовой теории атомов был сделан Н. Бором (1913 г.). Свои представления об особых свойствах атомов Бор сформулировал в виде постулатов.

1. Атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия; в стационарных состояниях атом не излучает.

2. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения (фотон). Энергия излученного или поглощенного фотона равна разности энергий стационарных состояний:
   

   hν = En – Em,

   где h = 6,63·10^–34 Дж – постоянная Планка, ν – частота фотона. Оба этих постулата противоречат законам классической физики, но они хорошо согласуются с экспериментальными результатами.

3. Третий постулат Бора определяет правило квантования стационарных орбит. Для случая круговых орбит электронов в планетарной модели атома третий постулат Бора записывается в виде:
   где m – масса электрона, υ – его скорость, r – радиус стационарной орбиты. Целое число n называют квантовым числом.

В применении к круговым орбитам атома водорода квантовые постулаты Бора приводят к следующим соотношениям:

Радиусы стационарных орбит:

rn = r1n2?

где – радиус первой боровской орбиты.

Энергия стационарных состояний:
Низшее энергетическое состояние атома (n = 1) называется основным. Для атома водорода E₁ = –21,7·10^–19 Дж = –13,6 эВ. Эта энергия называется энергией ионизации.

В модели вы можете переключить текущее состояние атома, задав с помощью радиокнопок в правом нижнем углу номер боровской орбиты. Процесс перехода на более высокую орбиту сопровождается поглощением, а на более низкую – испусканием фотона соответствующей частоты. Спектральная линия, соответствующая последнему переходу, начинает мигать на спектре (изображен в нижней части модели), а также изображается стрелкой на энергетической диаграмме. Вы можете сбросить состояние энергетической диаграммы с помощью кнопки Очистить.

Обратите внимание, что переходы с наименьшей энергией возникают между наиболее удаленными от ядра боровскими орбитами.