Строение атома, квантовые числа и их физический смысл

 

Атом наименьшая (неделимая химическим путем) часть элемента, сохраняющая все свойства, определенные зарядом ядра и электронной оболочкой. Составная часть вещества, содержащая одинаковые атомы, называется химическим элементом.

Атомный номер═Z равен числу протонов в атомном ядре. В электронной оболочке электронейтрального атома содержится Zэлектронов.

Массовое число═A равно числу протонов Z и числу нейтронов N в атомном ядре; A = Z + N.

Масса протона ~ = массе нейтрона.

Нуклиды √ атомы с определенным числом протонов и нейтронов. Изотопы √ атомы с одинаковым Z, но разными N. Изобары √ атомы с одинаковым A, но разными Z. Изотоны √ атомы с одинаковым N, но разными A.

Элемент обозначается установленным одно- или двухбуквенным символом. Левые индексы указывают массовое число A (верхний) и число протонов Z (нижний).

Атомная масса √ масса атома в атомных единицах массы (а.═е.═м.). За единицу а.═е.═м. принята 1/12 массы изотопа углерод-12.

Электроны располагаются в атоме не как угодно, а по слоям. Зная номер периода, можно определить число электронных слоев атома, на которых находятся электроны. Так, если рубидий находится в пятом периоде, то электроны этого элемента располагаются на пяти электронных слоях.

Модели атома(Морозова, Резерфорда, Бора) В 1900 г. М. Планк (Германия) высказал предположение, что вещества поглощают и испускают энергию дис­кретными порциями, названными им квантами. Энергия кванта Е пропорциональна частоте излучения (колебания) v:где h - постоянная Планка (6, 626*10"-34 Дж-с.); v = с /Лямбда, с — скорость света; X — длина волны.

В 1910 г. В лаборатории Э. Резерфорда (Англия) в опытах по бомбардировке металлической фольги б-частицами было установлено, что некоторые б-частицы рассеиваются фольгой. Отсюда Резерфорд заключил, что в центре атома существует положительно заряженное ядро малого размера, окруженное электронами. Наличие положительного ядра в атоме получило подтверждение в дальнейших экспериментах. Радиусы ядер лежат в пределах 10-14—10-15 м, т.е. в 104—105 раз меньше размера атома. Резерфорд предсказал существование протона и его массу, которая в 1800 раз превышает массу электрона. В этом же 1910 г Резерфорд предложил ядерную планетарную модель атома, состоящего из тяжелого ядра, вокруг которого двигаются по орбиталям электроны, подобно планетам солнечной системы. Однако, как показывает теория электромагнитного поля, электроны в этом случае должны двигаться по спирали, непрерывно излучая энергию, и падать на ядро.

В 1910 г. датский ученый Н.Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил модель строения атома водорода, соглас­но которой электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а лишь по разрешенным орбитам, на которых электрон обладает определенны­ми энергиями. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает энергию в виде квантов. Каждая орби­та имеет номер п (1, 2, 3, 4,...), который назвали главным квантовым числом.

Современная теория строения атома опирается на квантовую механику. Т.к. электрон с одной стороны, обладает свойствами частицы (имеет определённую массу покоя), а с другой — его движение напоминает волну и может быть описано определённой амплитудой, длиной волны, частотой колебаний и др. Поэтому нельзя говорить о какой-либо определённой траектории движения электрона — можно лишь судить о той или иной степени вероятности его нахождения в данной точке пространства.

=> под электронной орбитой следует понимать не определённую линию перемещения электрона, а некоторую часть пространства вокруг ядра, в пределах которого вероятность пребывания электрона наибольшая. В связи с этим электрон представляют не в виде материальной точки, а как бы "размазанным" по всему объёму атома в виде так называемого электронного облака, имеющего области сгущения и разрежения электрического заряда. Электронное облако не имеет резко очерч границ, и даже на большом расстоянии от ядра сущ-т вер-ть пребывания электрона. Электронное облако движется по орбитали.

Из волновой функции, выведенной Шредингером и уравнения де Бройля можно получить выражение для определения кинетической энергии электрона в случае одномерного атома: E=h2n2/8ml2. Поскольку n- целое число, то последнее выражение показывает, что энергия электрона в одномерном атоме не может иметь произвольные значения: при n=1 она равна величине дроби h2/8ml2, при n=2 она в 4 раза больше, при n=3 - в 9 раз больше и т.д. Таким образлм, в случае одномерного атома волновые свойства электрона, выражаемые уравнением де Бройля, действительно имеют следствием квантованность энергетических состояний электрона (как утверждал Бор). При этом допустимые уровни энергии электрона определяются значением целого числа n, получившего название квантового числа. Разумеется, найденное выражение для энергии электрона относится к упрощённой модели атома, но и для реального атома решение уравнения Шредингера также приводит к выводу о квантованности энергетических состояний электрона в атоме.

Состояние электрона в атоме описывается 4 квантовыми числами:

n - главное квантовое число (совпадает с номером периода в табл Менделеева)

• определяет – энергию электрона – энергетический уровень

• показывает – размер электронного облака (орбитали)

• принимает значения – от 1 до бесконечности

Большим размерам электронного облака соответствует более высокая энергия электрона в атоме и, следовательно, большее значение главного квантового числа n. Электроны же, характеризующиеся одним и тем же значением главного квантового числа, образуют в атоме электронные облака приблизительно одинаковых размеров; поэтому можно говорить о существовании в атоме электронных слоёв или электронных оболочек, отвечающих определённым значениям главного квантового числа. Для энергетических уровней электрона в атоме, соответсвующих различным значением n, приняты следующие буквенные значения: 1-K, 2-L, 3-M, 4-N, 5-O, 6-P, 7-Q.

Не только энергия электрона в атоме может принимать только определённые значения. Произвольной не может быть и форма электронного облака. Она определяется орбитальным квантовым числом l

• определяет – орбитальный момент количества движения электрона

• показывает – форму орбитали

• принимает значения – от 0 до (n-1), (где n-главное квантовое число. Различным значениям n отвечает разное число возможных значений l. Так, при n=1 возможно лишь одно значение орбитального квантового числа - нуль, при n=2 l может быть равным 0 или 1, при n=3 возможны значения l, равные 0, 1 и 2; вообще, данному значению главного квантового числа n соответсвует n различных возможных значений орбитального квантового числа. В многоэлектронных атомах энергия электрона зависит также и от орбитального квантового числа, поэтому состояния электрона, характеризующиеся различными значениями l, принято называть энергетическими подуровнями электрона в атоме. Этим подуровням присвоены следующие буквенные обозначения: 0-s, 1-p, 2-d,3-f.

Каждому n соответствует определенное число значений l, т.е. каждый энергетический уровень расщепляется на подуровни. Число подуровней равно номеру уровня.

1-ый энерг.уровень -> 1 подуровень ->1s

2-ой энерг.уровень -> 2 подуровня ->2s2p

3-ий энерг.уровень -> 3 подуровня ->3s3p3d

4-ый энерг.уровень ->4 подуровня ->4s4p4d4f и т.д.

Ориентация электронного облака в пространстве не может быть произвольной: она определяется значением третьего, так называемого магнитного квантового числа m. Оно может принимать любые целочисленные значения, - как положительные, так и отрицательные, - в пределах от - l до+ l. Таким образом для различных значений l число различных значений m различно. Например, при l=0, m=0; при l= 1, m={-1,0,1} и т.д. Вообще некоторому значению l соответсвует (2 l +1) возможных расположений электронного обоака в пространстве.

Состояние электрона в атоме, характеризующееся значением первых трёх квантовых чисел, т.е. определёнными размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака, получило название атомной электронной орбитали.

Исследования атомных спектров привели к выводу, что электрон характеризуется ещё одной квантовой величиной, не связанной с движением электрона вокруг ядра атома, а определяющей его собсьвенное состояние. Эта величина получила название спинового квантового числа s. Оно характеризует вращение электрона вокруг своей оси по отношению к магнитному полю. Оно может иметь только два значения: -1/2 и +1/2.

Таким образом четыре квантовых числа полностью определяют состояние электрона в атоме.

Орбитальное квантовое число определяет форму электронного облака. Вывод об этом вытекает из физического смысла квантового числа l: оно определяет знеачение орбитального момента количества движения электрона. Например, электронное облако s-электрона имеет форму шара, p-электрона - форму гантели или двойной груши, d-электрона - "четырёхлепесковой фигуры" и т.д.