Электромагнитные волны

Радиоактивное  вещество  радий  помещалось  в  контейнер,  изготовленный  из

свинца, в котором просверливался узкий канал. Из этого канала узкий  пучок (-

частиц (ядер  гелия)  падал  на  тонкую  металлическую  фольгу,  за  которой

находился экран, покрытый люминесцентным  составом.  Всё это помещалось  в

сосуд, из которого откачивался воздух. Проходя  фольгу,  (-частицы  попадали

на  экран,  на  котором  наблюдались  световые  вспышки  в  месте  попадания

частицы. Было  обнаружено,  что  подавляющее  большинство  частиц  пролетает

фольгу, не меняя своего направления. Однако некоторые из них отклонялись  на

большие углы. Такое рассеяние (-частиц нельзя объяснить,  исходя  из  модели

атома Томсона. Поэтому Резерфорд  предложил  другую  модель  строения  атома,

названную ядерной. Согласно этой модели, атом состоит  из  ядра,  в  котором

сосредоточена почти вся масса  атома  и  обладающего  положительным  зарядом,

вокруг которого вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд.  При  этом

размеры ядра много меньше размеров  атома  и  заряд  ядра  равен  суммарному

заряду электронов по абсолютной величине.

 Однако эта модель обладает  двумя недостатками.

1.     Согласно   классической   электродинамике,   ускоренно   движущиеся

заряженные частицы  излучают  электромагнитные  волны.  В  атоме  электроны,

двигаясь вокруг ядра, обладают центростремительным  ускорением.  Поэтому  они

должны бы излучать энергию в  виде электромагнитных волн. В результате  этого

электроны будут двигаться по спиральным траекториям, приближаясь к ядру,  и,

наконец, упасть на него. После этого  атом прекращает своё  существование.  В

действительности же атомы являются устойчивыми образованиями.

2.   Известно, что заряженные  частицы, двигаясь  по  окружности,  излучают

электромагнитные  волны  с  частотой,  равной  частоте   вращения   частицы.

Электроны  в  атоме,  двигаясь  по  спиральной  траектории,  меняют  частоту

вращения.  Поэтому   частота   излучаемых   электромагнитных   волн   плавно

изменяется, и атом должен бы излучать  электромагнитные  волны  в  некотором

частотном интервале, т.е. спектр атома  будет  сплошным.  В  действительности

же он линейчатый. Для устранения указанных недостатков Бор пришёл к  выводу,

что необходимо отказаться от  классических  представлений.  Он  постулировал

ряда принципов, которые получили  название постулатов Бора.

3.   Постулаты  Бора. Первый постулат.  Существуют  стационарные  состояния

атома, находясь в которых, он  не  излучает  энергии.  Постулат  утверждает,

что, несмотря на наличие ускорения у электрона,  излучения  электромагнитных

волн нет. Этим постулатом устранён первый недостаток ядерной модели атома.

 Второй  постулат. В стационарных  состояниях  атом  обладает  определёнными

энергиями. Испускание света атомом происходит, когда электрон  переходит  из

одного  стационарного состояния с энергией Wm в  другое  с  меньшей  энергией

Wn. При этом  испускается одни световой фотон,  энергия которого  определяется

соотношением [pic]Если происходит переход из состояния  с меньшей энергией  в

состояние с большей энергией, то наблюдается поглощение энергии (света).  Из

последней формулы следует,  что  частота  излученного  фотона  равна  [pic].

Поскольку энергии,  которые  принимает  атом  имеют  дискретные  (прерывные)

значения, то и  частоты  электромагнитных волн,  испускаемых атомом  будут

дискретными, т.е. атом излучает линейчатый спектр. Этим постулатом  устранён

второй  недостаток ядерной модели атома.

   Линейчатый  спектр.  Если  свет,  испускаемый   нагретым  газом  (например,

баллоном  с  водородом,  через  который  пропускается  электрический   ток),

разложить  с  помощью  дифракционной  решётки  (или  призмы)  в  спектр,  то

выяснится, что этот спектр состоит  из  ряда  линий.  Поэтому  такой  спектр

называется  линейчатым.  Линейчатость  означает,  что  в спектре содержатся

только  вполне определенные длины волн [pic]и  т.д., а не все, как  это  имеет

место в  случае света электрической лампочки.

 Спектральный  анализ. Линейчатые спектры играют  особо важную  роль,  потому

что их характер прямо связан со строением  атома. Ведь эти спектры  создаются

атомами,  не  испытывающими  внешних  воздействий.  Поэтому,   знакомясь   с

линейчатыми спектрами, мы тем самым  делаем первый шаг  к  изучению  строения

атомов.  Наблюдая  эти  спектры,  ученые  получили  возможность  «заглянуть»

внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

   Главное свойство линейчатых  спектров состоит в том, что  длины  волн  (или

частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от  свойств

атомов этого вещества, но  совершенно  не  зависят  от  способа  возбуждения

свечения атомов. Атомы любого химического  элемента дают спектр,  не  похожий

на спектры всех других элементов: они способны излучать строго  определенный

набор длин волн.

   На этом основан спектральный  анализ метод определения химического  состава

вещества по его спектру. Подобно  отпечаткам  пальцев  у  людей,  линейчатые

спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров  на  коже

пальца  помогает  часто  найти   преступника.   Точно   так   же   благодаря

индивидуальности спектров имеется  возможность определить  химический  состав

тела. С помощью спектрального  анализа  можно  обнаружить  данный  элемент  в

составе сложного вещества, если даже его  масса  не  превышает  10-10г.  Это

очень чувствительный метод.

 Количественный анализ состава  вещества по его спектру затруднен,  так  как

яркость спектральных линий зависит  не только от  массы  вещества,  но  и  от

способа возбуждения свечения. Так, при не очень высоких температурах  многие

спектральные линии вообще не появляются. Однако при  соблюдении  стандартных

условий возбуждения свечения можно  проводить и  количественный  спектральный

анализ.

   В настоящее время определены  спектры всех  атомов  и  составлены  таблицы

спектров.  С  помощью  спектрального  анализа  были  открыты  многие   новые

элементы:  рубидий,  цезий  и  др.  Элементам  часто   давали   названия   в

соответствии с цветом  наиболее  интенсивных  линий  спектра.  Рубидий  дает

темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой».  Это

цвет основных линий спектра  цезия.

   Именно с помощью спектрального  анализа узнали химический состав  Солнца  и

звезд. другие методы анализа здесь  вообще невозможны. Оказалось, что  звезды

состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются  и  на  Земле.

Любопытно что гелии первоначально открыли  на Солнце и  лишь  затем  нашли  в

атмосфере  Земли.  Название  этого  элемента  напоминает  об   истории   его

открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».

   Благодаря  сравнительной простоте и   универсальности  спектральный  анализ

является  основным  методом  контроля  состава   вещества   в   металлургии,

машиностроении,  атомной  индустрии.   С   помощью   спектрального   анализа

определяют  химический состав руд и минералов.

   Состав  сложных, главным образом органических, смесей анализируется по  их

молекулярным  спектрам.

   Спектральный  анализ можно производить не  только по  спектрам  испускания,

но и  по спектрам поглощения. Именно линии  поглощения  в  спектре  Солнца  и

звезд позволяют  исследовать  химический  состав  этих  небесных  тел.  Ярко

светящаяся  поверхность  Солнца  —  фотосфера   дает   непрерывный   спектр.

Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы,  что  приводит

к появлению  линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.

   Но  и сама атмосфера Солнца излучает  свет. Во  время  солнечных   затмений,

когда солнечный  диск закрыт Луной, происходит   «обращение»  линий  спектра.

На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивает линии излучения.

 В астрофизике  под спектральным анализом  понимают  не  только  определение

химического состава звезд, газовых  облаков  и  т.д.,  но  и  нахождение  по

спектрам  многих других физических характеристик этих объектов:  температуры,

давления, скорости движения, магнитной индукции.