1. Квантово-механічна модель атома. Квантові числа. Атомні орбіталі. Порядок заповнення орбіталей електронами
Теорія будови атома заснована на законах, що описують рух мікрочастинок (Електронів, атомів, молекул) і їх систем (наприклад, кристалів). Маси і розміри мікрочастинок надзвичайно малі в порівнянні з масами і розмірами макроскопічних тел. Тому властивості і закономірності руху окремих мікрочастинок відрізняються від властивостей і закономірностей руху макроскопічних тел, досліджуваних класичної фізикою. Рух і взаємодія мікрочастинок описує квантова механіка, яка грунтується на уявленні про квантуванні енергії, хвильовому характері руху мікрочастинок та імовірнісний (Статистичному) методі опису мікрооб'єктів. p> Приблизно на початку XX ст. дослідження явищ (фотоефект, атомні спектри) привели до висновку, що енергія поширюється і передається, поглинається і випускається не безупинно, а дискретно, окремими порціями - квантами. Енергія системи мікрочастинок також може приймати певні значення, які є кратними частинками квантів.
Припущення про квантування енергії вперше було висловлено М. Планком в 1900 р. і було обгрунтовано Ейнштейном в 1905 р.: енергія кванта залежить від частоти випромінювання
:,
де (1)
- постійна Планка ()
Частота коливань і довжина хвилі пов'язані співвідношенням:
де - швидкість світла.
Згідно співвідношенням (1), чим менше, тим більше енергія кванта і навпаки. Таким чином, ультрафіолетові і рентгенівські промені володіють більшою енергією, ніж скажімо радіохвилі та інфрачервоні промені. Для опису електромагнітного випромінювання залучають як хвильові, так і корпускулярні подання: з одного боку монохроматичне випромінювання поширюється як хвиля і характеризується довжиною хвилі, з іншого боку воно складається з мікрочастинок - фотонів, що переносять кванти енергії.
Явище дифракції електромагнітного випромінювання доводить його хвильову природу. У той же час електромагнітне випромінювання володіє енергією, масою, виробляє тиск. Так, обчислено, що за 1 рік маса Сонця зменшується за рахунок випромінювання на.
У 1924 Луї де Бройль запропонував поширити корпускулярно-хвильові уявлення на всі мікрочастки, що тобто рух будь мікрочастинки розглядати як хвильовий процес. Математично це виражається співвідношенням де Бройля, згідно якому частці масою, рухається зі швидкістю, відповідає хвиля довжиною: br/>
, (2)
- імпульс частинки.
Гіпотеза де Бройля була експериментально підтверджена виявленням дифракційного і інтерферентними ефектів потоку електронів.
Згідно співвідношенню (2) руху електрона (,) відповідає хвиля довжиною, тобто її довжина порівнянна з розмірами атомів.
У 1925 Шредінгер припустив, що стан руху електрона в атомі повинне описуватися рівнянням стоячій електромагнітної хвилі. Він отримав рівняння, яке енергію електрона зв'язує з простором Декартових координат і так званої хвильової функцією, яка відповідає амплітуді 3-х мірного хвильового процесу:
, де
- повна енергія електрона
- потенційна енергія електрона
- друга приватна похідна
В
Рівняння Шредінгера дозволяє знайти хвильову функцію як функцію координат. Фізичний сенс хвильової функції в тому, що квадрат її модуля визначає ймовірність знаходження електрона в елементарному обсязі, тобто характеризує електронну плотность.Т. к. електрон має властивості хвилі і частинки, ми не можемо визначити його положення в просторі в певний момент часу. Електрон розмазаний, тобто делокалізірован в просторі атома. У цьому полягає принцип Гейзенберга. p> мікрочастинки, так само як і хвиля не має одночасно точних значень координат і імпульсу. Це проявляється в тому, що чим точніше визначається координати частинки, тим неопределеннее її імпульс, і навпаки. Тому ми говоримо про максимально ймовірне перебування електрона в даному місці в певний момент часу. Та область простору, де> 90% знаходиться електрон називається атомної орбиталью. Рівняння Шредінгера має безліч рішень, але фізично осмислене рішення тільки в певних умовах.
Для описи стоячої хвилі, утвореної в атомі рухаються електроном, тобто для знаходження хвильової функції необхідні квантові числа.
У 3-х мірному просторі 4-ма квантовими числами описується стан електрона
Головне квантове число характеризує далекість електрона від ядра і визначає його енергію (чим більше, тим більше енергія електрона і тим менше енергія зв'язку з ядром). приймає цілочисельні значення від 1 до ВҐ.
Стан електрона характеризується різними значеннями головного квантового числа, називається електронним шаром (Електронною оболонкою, енергетичним рівнем). Вони позначаються цифрами 1, 2, 3, 4, 5, ... або відповідно літерами K, L, M, N, O ....
Квантове стан атома з найменшою енергією - основний...
