Рассеяние электронов и строение атома

Основная цель: моделируя классический опыт по рассеянию электронов, показать, как по результатам эксперимента можно выбрать одну из моделей строения атома.

Замечания по работе установки

Установка содержит электронную пушку (1), источник атомарного водорода (2), детектор электронов (3). Потоки электронов и атомов водорода пересекаются в центре камеры (4). Кнопки и позволяют поворачивать детектор. Нажатие кнопки "Счет" запускает установку. В исходном положении детектор фиксирует число не рассеянных электронов. Текущий угол поворота детектора отображается в окошке зелеными цифрами.

Методические соображения

Что можно сказать о характере движения электронов в атоме? Какой объем занимают, где встречаются чаще, где реже?

Нильс Бор предположил, что электроны движутся по стационарным круговым орбитам. Это позволило ему объяснить известные к тому времени закономерности в спектре водорода. Точность расчета частот поразительна: отклонения только в седьмой значащей цифре. Но последующие опыты показали, что характер движения электронов в атоме совсем не тот, что у планет солнечной системы. В этом можно убедиться, сопоставляя результаты экспериментов по рассеянию частиц с расчетами по различным теоретическим моделям. В качестве бомбардирующих частиц надо взять легкие электроны. Отклонение их от первоначального направления движения чувствительно к числу и расположению атомных электронов. Как и в случае альфа-частиц в опыте Резерфорда измерять следует угловое распределение рассеянных электронов.

Итак, рецепт прост: задаемся тем или иным характером движения электронов в атоме, рассчитываем распределение по углам рассеянных электронов, проводим эксперимент. После сравнения теоретической и экспериментальной зависимостей принимаем или отвергаем модель движения. В последнем случае задаемся новой моделью.

Рассмотрим простейший атом - атом водорода в основном состоянии. В программе предусмотрена возможность анализа трех предположений о характере движения электронов в атоме:

  1. равномерное распределение: электрон с одинаковой вероятностью встречается в любой точке атома;
  2. атом Бора: электрон движется по круговой орбите с радиусом r, вероятность обнаружить его на любом другом расстоянии от ядра равна нулю;
  3. электрон движется т.о., как это следует из решения уравнения Шредингера.

Проводим измерения количества рассеянных электронов в диапазоне углов рассеяния 0 - 85 градусов. Выбираем одну из моделей движения электрона в атоме. Для этого нужно щелкнуть мышкой на ее описании. Компьютер рассчитает и построит график распределения электронов по углам рассеяния. Для сравнения можно затем построить теоретические кривые и для других моделей. Легко видеть, что характер движения электрона в простейшем атоме водорода сложен, и модель Бора с движением электронов по окружности не состоятельна.

Литература

Н.Мотт, Г.Месси. Теория атомных столкновений. Издательство "Мир", Москва, 1969.