Fizică cuantică

I. Modele atomice si cuantificarea energiei

S-a dovedit ca electronii sunt particule constituente ale atomilor. Deoarece atomii sunt electric neutri, în constitutia lor trebuie sa intre si sarcini pozitive, care sa compenseze sarcinile electrice negative datorate electronilor. Masa electronilor fiind pe de alta parte foarte mica, rezulta ca masa atomica ar fi concentrata în alte componente ale atomilor, pe care pot fi repartizate si sarcinile pozitive corespunzatoare.

Atomii, departe de a fi niste corpusculi simpli asimilabili unor sfere mici, rigide, trebuie sa posede o structura, o organizare interna, caracterizata printr-o anumita aranjare a electronilor si sarcinilor electrice pozitive, a centrelor în care sunt concentrate masele lor.

Pentru cercetarea structurii atomilor, deosebit de eficace s-a dovedit metoda prin care materia se bombardeaza cu particule animate de viteze mari – electroni, particule ± – care pot patrunde astfel în interiorul atomilor. Din modificarile pe care le sufera miscarea acestor particule, la trecerea prin materie, se pot trage concluzii cu privire la structura atomilor.

Spectrele optice ale atomilor si de raze X furnizeaza date pretioase despre structura atomilor si fenomenele care se petrec în interiorul lor.

1. Difuzia particulelor ±. Modelul atomic al lui Rutherford.

Foarte bogata în rezultate s-a dovedit difuzia particulelor ± prin substanta, metoda folosita cu deplin succes de Rutherford si colaboratorii sai.

Particulele ± sunt emise de numeroase substante radioactive, care pot servi ca surse pentru a obtinerea lor. Traiectoriile lor pot fi urmarite în camera Wilson, în care se introduce aer sau alt gaz saturat cu vapori de apa. În trecerea lor particulele ionizeaza gazul, iar pe ionii formati se condenseaza vapori de apa. Traiectoriile particulelor marcate astfel, prin picaturi fine de apa, pot fi fotografiate.

Particulele ± sunt atomi de heliu cu doua sarcini electrice pozitive , în urma pierderii celor 2 electroni disponibili. Viteza lor ajunge pâna la 1/15 – 1/20 din viteza luminii, dupa natura preparatului radioactiv din care povin.

În orientarea experientelor sale si în explicarea rezultatelor obtinute, Rutherford s-a condus dupa conceptia ca un atom trebuie sa fie alcatuit dintr-un nucleu încarcat electric pozitiv, foarte mic în comparatie cu dimensiunile atomului în care este concentrata practic întreaga masa. În jurul nucleului se misca electronii, formând invelisul electronic, al carui numar este de terminat de conditia sa ca suma a sarcinilor electrice sa fie egala cu sarcina pozitiva a nucleului.

Particulele ± fiind de 7320 de ori mai grele decât electronul, ele patrund în învelisul electronic fara a fi practic influentate.

Daca o astfel de particula ajunge în apropierea nucleului atomic, mult mai greu decât ea, pe care este concentrata puternic o sarcina electrica pozitiva, atunci traiectoria sa sufera o deviatie sensibila.

În experimentele de difuzie efectuate de Geiger si Marsden (1909), cola boratorii lui Rutherford, folosind foite de aur au constatat ca pe lânga particulele nedeviate se obtin si particule deviate sub unghiuri foarte mari fata de directia incidenta.

Pornind de la aceste premise, Rutherford a dezvoltat teoria cantitativa a difuziei particulelor ± prin substata.

În calculele pe care urmeaza sa le dezvoltam, vom face o serie de aproximari. Vom presupune ca atât particulele ± cât si nucleele cu care interactioneaza sunt suficient de mici astfel încat sa poata fi considerate punctiforme. În plus vom admite ca între particulele ± si nucleu actioneaza numai forte electrostatice de respingere. Nucleul, find mult mai greu decât particula ±, il vom presupune imobil. Deoarece forta de respingere electrostatica ce actioneaza asupra particulei ± este invers proportionala cu patratul distantei pâna la nucleu, traiectoria urmata de particula ± va fi o hiperbola, în focarul careia se afla nucleul.

Atomul fiind neutru poseda Z sarcini electrice pozitive. Pentru studiul miscarii si deducerea deviatiei ¸ vom folosi legea conservarii energiei si a momentului cinetic.