Строение атома. Дискретность энергетических состояний атома. Постулаты Бора.
А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам.
Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
Дискретность энергетических уровней в атомах обусловлена квантово-механическим характером движения злектронов. В молекулах также имеются определенные энергетические уровни злектронов. Однако кроме движения электронов в молекулах возможно еще перемещение атомных ядер друг относительно друга — колебание ядер и вращение их вокруг центра масс. Энергия этих видов движения в молекуле тоже квантуется, однако ввиду значительно большей массы ядер энергетические уровни в молекулах расположены очень близко друг к другу. Дискретность энергетических уровней в атомах обусловлена квантово-механическим характером движения электронов. В молекулах также имеются определенные энергетические уровни электронов. Однако кроме движения электронов в молекулах возможно еще перемещение атомных ядер друг относительно друга — колебание ядер и вращение их вокруг центра масс. Энергия этих видов движения в молекуле тоже квантуется, однако ввиду значительно большей массы ядер энергетические уровни в молекулах расположены очень близко друг к другу. Дискретность энергетических уровней приводит к дискретности частот излучаемого спектра.
Постулаты Бора — основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода и водородоподобных ионов (формула Бальмера-Ридберга) и квантового характера испускания и поглощения света. Бор исходил из планетарной модели атома Резерфорда.
1,Атом может находиться только в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.
2,Электрон в атоме, не теряя энергии, двигается по определённым дискретным круговым орбитам, для которых момент импульса квантуется: ,
где n — натуральные числа, а — постоянная Планка. Пребывание электрона на орбите определяет 
энергию этих стационарных состояний.
3,При переходе электрона с орбиты (энергетический уровень) на орбиту излучается или поглощается квант энергии где — энергетические уровни, между которыми
осуществляется переход. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается, при переходе с нижнего на верхний — поглощается. Используя данные постулаты и законы классической механики, Бор предложил модель атома, ныне именуемую Боровской моделью атома. В дальнейшем Зоммерфельд расширил теорию Бора на случай эллиптических орбит. Её называют моделью Бора-Зоммерфельда.
Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Дискретное значение — энергия
Дискретные значения энергии тех Р — электронов, которые вследствие внутренней конверсии выбрасываются электронной оболочкой атома, как уже было пояснено, строго соответствуют скачкообразным изменениям квантовых состояний ядра и атома в целом. Вместе с тем надежно установлено, что именно р-электроны с непрерывным, а не дискретным распределением скоростей имеют, несомненно, ядерное происхождение. [2]
Дискретные значения энергии часто называют уровнями энергии, или энергетическими уровнями, а низший уровень — основным. Следующий за основным уровень, называемый первым возбужденным, имеет энергию Е2 4л2 / 2 / га. [3]
Дискретные значения энергии электрона в атоме получаются из того условия, что на длине орбиты, по которой движется электрон, должно укладываться целое число волн. [4]
Дискретные значения энергии электрона получаются из условия, чтобы на той длине, на которой движется электрон, укладывалось целое число волн. [5]
Как дискретные значения энергии , так и вид собственных — функций определяются совокупностью квантовых чисел п, I, т, которые хотя и не содержатся в самом уравнении Шредингера, но вводятся в него при решении. [7]
Набор дискретных значений энергии соответствует связанному состоянию всех частиц, в том числе электронов в системе. Переходы между ними, схематично изображенные на рис. 6.10, образуют линейчатый спектр. [8]
Фактически, дискретные значения энергии электрона в атоме следуют из условия, что на длине орбиты, по которой движется электрон, должно укладываться целое число волн. [9]
Электронам конверсии соответствуют дискретные значения энергии , зависящей от работы выхода электрона из оболочки, из которой электрон вырывается, и от энергии Е, отдаваемой ядром при переходе из возбужденного состояния в основное. Возникшее в результате вылета электрона вакантное место на внутренней оболочке атома будет заполняться электронами с вышележащих оболочек. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. [10]
Электронам конверсии соответствуют дискретные значения энергии , зависящей от работы выхода электрона из оболочки, из которой электрон вырывается, и от энергии Е, отдаваемой ядром при переходе из возбужденного состояния в основное. Если вся: энергия Е выделяется в виде у-кванта, то частота излучения v определяется из известного соотношения Ehv. Возникшее в результате вылета электрона вакантное место на внутренней оболочке атома будет заполняться электронами с вышележащих оболочек. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. [11]
Электронам конверсии соответствуют дискретные значения энергии , зависящей от работы выхода электрона из оболочки, из которой электрон вырывается, и от энергии Е, отдаваемой ядром при переходе из возбужденного состояния в основное. Возникшее в результате вылета электрона вакантное место на внутренней оболочке атома будет заполняться электронами с вышележащих оболочек. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. [12]
Вместо введения множества дискретных значений энергии активации возможен и другой путь: введение зависимости энергии активации релаксационного процесса от температуры. Этот прием позволяет описать характерные особенности изменения предела вынужденной эластичности овэ с температурой ( см. стр. [13]
Электроны в атоме имеют определенные дискретные значения энергии — уровни, как принято говорить. При сближении атомов друг с другом у электронов появляется возможность обмениваться местами. Надо вспомнить, что микрочастицы могут проходить через потенциальные барьеры — области пространства, где потенциальная энергия больше полной энергии частицы. В результате таких переходов одинаковые уровни энергии расщепляются, причем разность соседних уровней энергии определяется энергией взаимодействия атомов друг с другом — способностью электронов перебираться из одного атома в другой. Электроны, если их всего два, как в двух атомах водорода, оккупируют нижний уровень; их спины при этом, естественно, будут антипараллельны. [14]
Различным стационарным орбитам соответствуют возможные дискретные значения энергии атома . [15]
Источник
Что значит энергия дискретная
Документальные учебные фильмы. Серия «Физика».
Постулаты Бора. Опыт Франка и Герца
Ранее было выяснено, что ядерная модель атома в сочетании с классической механикой и электродинамикой оказалась неспособной объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомного спектра. Выход из создавшегося тупика был найден в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором, правда, ценой введения предположений, противоречащих классическим представлениям. Допущения, сделанные Бором, содержатся в двух высказанных им постулатах.
1. Из бесконечного множества электронных орбит, возможных с точки зрения классической механики, осуществляются в
действительности только некоторые дискретные орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает электромагнитных волн (света).
2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии при переходе электрона из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается квантовый скачок электрона:
Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытами, осуществленными в 1914 г. Франком и Герцем. Схема их установки приведена на рис. 15.1, а. В трубке, заполненной парами ртути под небольшим давлением(
1 мм рт. ст.), имелись три электрода: катод К, сетка С и анод А. Электроны, вылетавшие из катода вследствие термоэлектронной эмиссии, ускорялись разностью потенциалов U, приложенной между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было плавно менять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом создавалось слабое электрическое поле (разность потенциалов порядка 0,5 В), тормозившее движение электронов к аноду. На рис. 15.1,6 показано изменение потенциальной энергии электрона в зазоре между электродами при различных значениях напряжения U между катодом и сеткой (φ потенциал в соответствующей точке поля).
Исследовалась зависимость силы тока I в цепи анода от напряжения U между катодом и сеткой. Сила тока измерялась гальванометром G напряжение — вольтметром V. Полученные результаты представлены на рис. 15.2.
Видно, что сила тока вначале монотонно возрастала, достигая максимума при U = 4,9 В, после чего с дальнейшим увеличением U резко падала, достигая минимума, и снова начинала расти. Максимумы силы тока повторялись при U, равном 9,8; 14,7В и т. д.).
Такой ход кривой объясняется тем, что вследствие дискретности энергетических уровней атомы могут воспринимать энергию только порциями:
где — энергия 1-го,2-го,3-го и т.д. стационарных состояний.
До тех пор, пока энергия электрона меньше соударения между электроном и атомом ртути, носят упругий характер, причем, поскольку масса электрона во много раз меньше массы атома ртути, энергия электрона при столкновениях практически не изменяется. Часть электронов попадает на сетку, остальные же, проскочив через сетку, достигают анода, создавая ток в цепи гальванометра G. Чем больше скорость, с которой электроны достигают сетки (чем больше U), тем больше будет доля электронов, проскочивших через сетку, и тем, следовательно, больше будет сила тока I.
Атомы, получившие при соударении с электронами энергию переходят в возбужденное состояние, из которого они спустя время порядка 10 -8 с возвращаются в основное состояние, излучая фотон с частотой .
При напряжении, превышающем 9,8 В, электрон на пути катод — анод может дважды претерпеть неупругое соударение с атомами ртути, теряя при этом энергию 9,8 эВ, вследствие чего сила тока I снова начнет уменьшаться. При еще большем напряжении возможны трехкратные неупругие соударения электронов с атомами, что приводит к возникновению максимума при U = 14,7 В, и т. д,
При достаточном разрежении паров ртути и соответствующей величине ускоряющего напряжения электроны за время до столкновения с атомами могут приобретать скорость, достаточную для перевода атома в состояние с энергией Е3. В этом случае на кривой I =f(U) наблюдаются максимумы при напряжениях, кратных второму потенциалу возбуждения атома (для ртути этот потенциал равен 6,7 В), или при напряжениях, равных сумме первого и второго потенциалов возбуждения и т. д.
Таким образом, в опытах Франка и Герца непосредственно обнаруживается существование у атомов дискретных энергетических уровней.
Источник
Дискретность в физике и математике. Лекция. Катющи
Дискретный простыми словами – прерывный, разделенный, зернистый, отдельный
— свойство, противопоставляемое непрерывности.
В принципе сам вопрос пустяковый — практически мелочь. Но если вы эту мелочь поймёте — вы сможете понимать физику.
Без понимания принципов дискретности такие вопросы как поле, эфир, физическое взаимодействие попадают в разряд труднодоступных к восприятию.
Визуально дискретность выглядит следующим образом:
Сверху на схеме изображено «прерывное» (дискретное), имеющее границу раздела.
Снизу изображено непрерывное (недискретное) как бы все просто.
Каждый способен отличить прерывное от непрерывного.
Но если смотреть глубже, то дискретность можно разделить на наружную и внутреннюю.
И гранат например имеет внутреннюю дискретность (состоит из отдельных зёрен), а так же сам может быть рассмотрен как отдельное зерно. На своей поверхности гранат прервался и дальше уже не гранат.
И когда мы например, говорим: «Маша мыла раму», мы должны четко понимать, что Маша так же имеет наружную дискретность – то есть: имеет самостоятельный внешний контур – является самостоятельным объектом.
Так же Маша имеет внутреннюю дискретность – состоит из клеточек. И швабра у Маши так же имеет и внешнюю и внутреннюю дискретность.
И здесь тоже все просто.
Но есть определенные подробности и у многих людей с недискретным, с непрерывным возникают трудности. Попробуем пояснить почему.
Представьте человека, который вырос в глухой степи и по случайному стечению обстоятельств ему никто не рассказал про экскаватор.
Степь глухая. Экскаваторов нет. Только суслики везде. Посмотрел направо – суслик. Посмотрел налево – суслик. Положил бутерброд – его утащил суслик. Даже шапка на голове из сусликов.
И человек не задумывается, что кто-либо кроме сусликов может рыть в земле норы.
Для такого человека, наблюдаемая картина мира прекрасно сочетается с сусликом, но не очень сочетается с экскаватором. И у такого человека на все случаи есть привычная пушистая причина.
И вот однажды человек выбирается во внешний мир, стоит на краю кимберлитовой трубки (здоровучая такая яма — карьер в земле где добывают алмазы).
И единственное что у него в голове срабатывает:
— Это какие же здесь суслики водятся, что они такую яму вырыли.
И есть вполне конкретные типы задач, который в определенном смысле навязывает воображаемого кимберлитового суслика.
В этом списке и задача на дискретность.
Все, что человек видит в своей повседневной жизни непрерывно только от сих и до сих, а дальше оно заканчивается, а значит оно в наружном смысле дискретно, конечно — является самостоятельным объектом.
И жизненный опыт подсказывает, что какая бы большая не была эта штука — она где ни будь заканчивается. У любого суслика есть начало и конец — наружная, внешняя дискретность, наличие собственных границ объекта.
И опять же накладываются представления, что все что нас окружает – состоит из атомов, имеет корпускулярную сущность.
Корпускула – это частичка материи и это опять же проявление дискретности (прерывности).
внутренней дискретности — наличия отдельных составных частей.
И человеку психологически трудно воспринимать, что-либо фундаментально непрерывное.
Например, стена её можно пощупать и мы воспринимаем её относительную непрерывность, но жизненный опыт показывает, что у этой непрерывности должен быть внешний край, конец, а значит и стена какая бы длинная она не была в конечном итоге дискретна ( и сама по себе это тоже отдельный элемент). То есть непрерывность (на примере стены) конечна – имеет место наружная дискретность, наружная прерывность.
Кроме того, есть еще забавы типа блуждания по кольцу. В определенном смысле — пример непрерывности. Здесь практически никто не путается, потому что кольцо мы опять же можем осмотреть со всех сторон, о внутренней дискретности мы в этот момент не думаем, и не задумываемся о внешней дискретности, что кольцо это тоже конечный объект имеющий наружные габариты. То есть в качестве непрерывности выступает путь, а не сам объект имеющий отверстие.
В случаях же когда сам объект не осматривается, не «прощупывается» не осязается привычным для нас образом (нельзя помять в пальцах), – у человека начинаются трудности с восприятием и тогда для осознания требуется дополнение в форме мыслительного продукта.
Во многом такие дискретные представления справедливы по отношению к веществу, но не все что нас окружает является веществом.
Не срабатывают привычные дискретные представления в довольно редких случаях –
Первый пример полной безусловной непрерывности это пространство.
Пространство непрерывно во всех направлениях. По всей своей протяженности оно нигде не обрывается. Пространство не имеет ни внутренней ни наружной дискретности. У пространства нет ни внешних границ, ни внутренних составляющих отдельных частичек.
Применительно к пространству необходимо осознавать, что через перемещение вашей руки вы фиксируете пространственную протяженность.
И пока вы перемещаете руку в пространстве, движение не прерывается.
Пространство не исчезает ни в один из моментов движения.
Не появляется конец пространства.
Но человек об этом практически никогда не задумывается, потому что пространства в принципе не видно.
И в психологическом плане некоторым людям комфортней думать, что пространства как бы и нет вовсе, и пространство это что-то типа абстракции (хотя в реальности пространство это физический объект).
И в такие моменты осознать, что пространство непрерывно получается не у всех.
И ряд людей, сами не понимая почему — делают выбор в пользу дискретного решения.
Человеку просто кажется, что и применительно к пространству должны быть какие-то дискретные штуки.
Почему дискретные?
Да хотя бы потому, что на шкуре у суслика каждый волосок растёт отдельно.
Бывают и особые случаи, когда у некоторых людей сочетается несочетаемое — когда пространства в их представлениях нет в принципе (это абстракция), но при этом пространство дискретно.
То есть та штука, которой нет — она прерывна.
Этакая прерывная но отсутствующая нихрена.
И такие представления имеет довольно много людей и некоторые из них пишут учебники.
Применительно к пространству, необходимо четко понимать, что пространство это реальный объект, оно нематериально и присущая ему непрерывность отличается от непрерывности вещественной, присущей осязаемой материи.
И на схеме мы можем для наглядности обозначить эту непрерывность отдельной позицией.
На схеме, позиция №3 будет обозначать непрерывную протяженность (присущую пространству), непрерывную нематериальность.
Итого на схеме
позиция №1
— Наружная дискретность — присуща материи разделенной на отдельные фрагменты (материя имеющая внешние границы).
Позиция № 2
— внутренняя дискретность в рамках некой общей непрерывности
— присуща материи имеющей общую протяженную вещественную непрерывность, и внутреннее дискретное строение в форме отдельных элементов.
В эту категорию попадают все объекты состоящие из вещества, которые внешне воспринимаются как непрерывные, но по своей структуре состоят из более мелких частей.
Позиция № 3
непрерывность нематериальная (присущая пространству) не имеющая внутренней структуры (внутренней дискретности).
И пространство, тот самый объект — осязаемый через перемещение, конкретный пример непрерывности с которым человек постоянно сталкивается в жизни.
Следующая позиция №4
Непрерывность материальная, но не вещественная.
Что у нас в природе вообще есть материальное, но не вещественное?
И что материальное может быть фундаментально непрерывным?
И в физике такая непрерывность известна как физическое поле.
Кто забыл, напомним:
Физическое поле материально, но не вещественно.
Согласно определения:
Поле – особый не обладающий массой вид материи, представляет собой непрерывный объект, расположенный в пространстве, в каждой точке которого на частицу действуют определенные по величине и направлению уравновешенные либо неуравновешенные силы.
В рамках физической концепции вещество и поле традиционно противопоставлялись друг другу, как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго — непрерывна.
И опять же воспринять непрерывное (применительно к полю) получается не у всех.
В такие моменты кое у кого возникают суровые кимберлитовые суслики.
И применительно к полю ряд людей вновь, сами не понимая почему – готовы сделать выбор в пользу дискретного решения.
Человеку просто кажется, что и в этом случае неизменно должны быть какие-то дискретные штуки.
В этих случаях помочь не всегда возможно, но на всякий случай сообщаем.
Справочно:
Кимберлитовые суслики не внесены в красную книгу
не находятся под защитой здравого смысла и их можно смело утилизировать.
Для остальных просто напомним, что поле не имеет массы, не имеет вещественности. У поля нет той самой штуки которая может обеспечить внутреннюю дискретность.
Так же у поля нет наружной дискретности. Потому что поле не ограничивается с расстоянием.
И это мы можем наглядно продемонстрировать через график распределения поля в пространстве.
Если мы расположим в пространстве некий единичный источник воздействия, и окружим его некой сферой, то с расширением этой сферы её площадь будет увеличиваться и следовательно будет уменьшаться доля воздействия выпадающая на единицу площади этой сферы.
Формульно это выражается через площадь поверхности сферы
А поскольку речь идет о рассеивании единичного воздействия на поверхность сферы то мы имеем единицу деленную на площадь поверхности сферы, то есть
данное распределение воздействия соответствует приведенному графику.
Если мы раширяем сферу — воздействие на её внутреннюю поверхность, а значит и конечная сила — уменьшается. И это видно на графике (движение вправо соответствует расширению сферы /удалению от источника воздействия).
Как бы далеко мы нашу сферу не раздвигали сила будет с удалением только уменьшаться, стремиться к нулю, но никогда через этот ноль не перейдет и не обнулится.
И в связи с эти мы должны понимать, что даже поле от маленького комаринного магнитика распространяется бесконечно далеко и не имеет внешних границ.
При этом по мере удаления потенциал поля стремится к нулю но никогда через этот нуль не переходит.
Итого применительно к физике мы можем выделить 4 вида дискретных и недискретных состояний.
позиция №1
— Наружная дискретность. Присуща материи разделенной на отдельные фрагменты. Материя имеющая внешние границы.
Позиция № 2
— внутренняя дискретность в рамках некой непрерывности
— присуща материи имеющей общую протяженную вещественную непрерывность, и внутреннее дискретное строение в форме отдельных элементов.
В эту категорию попадают все объекты состоящие из вещества, которые внешне воспринимаются как непрерывные, но по своей структуре состоят из более мелких частей.
Позиция № 3
непрерывность нематериальная (присущая пространству) не имеющая внутренней структуры (внутренней дискретности).
позиция №4
Непрерывность материальная невещественная (присущая физическому полю).
Данные четыре позиции желательно твёрдо запомнить. Это облегчит понимание физики в целом.
Собственно всё.
С вами был Виктор Катющик.
Подписывайтесь на видеоканал.
Следите за нашими публикациями.
Источник
