ЕЛЕКТРОННА ОБОЛОНКА АТОМА

Якщо людина не розуміє проблеми, він пише багато формул, а коли зрозуміє в че справа, їх залишається в кращому випадку дві.

Я Бор

На початку XX ст. Е. Резерфорд в результаті дослідів по опроміненню тонкої фольги а-частинками визначив структуру атома. Він показав, що атом має планетарну модель, тобто складається з щільного позитивного зарядженого ядра, навколо якого звертається пухка електронна оболонка. В цілому атом є електронейтральної елементарної структурою хімічного елемента. Фізичний сенс порядкового номера 2 елемента в періодичній системі елементів було встановлено в ядерно моделі атома Резерфорда. X збігається з числом позитивних елементарних зарядів в ядрі, закономірно зростаючих на одиницю при переході від попереднього елемента до наступного.

У 1925 р В. Паулі встановив квантово-механічний закон, званий принципом Паулі, або принципом виключення. У своїй простій формулюванні він говорить: в будь-якому атомі не може бути двох електронів перебувають в двох однакових стаціонарних станах, обумовлений набором чотирьох квантових чисел: головного п у орбітального /, магнітног т і спінового т 8 .

Стосовно до системи електронів в атомі принцип Паулі можна записати в такий спосіб: X (п у /, т у т 8 ) = 0 або 1, де X (п у /, т у т <) В є число електронів, що знаходяться в стані, може бути охарактеризована квантових чисел п у /, т у т 8 . Користуючись принципом Паулі, можна найт максимальне число електронів в атомі, мають задані значення тре (п у /, т), двох (п, I) і одного п квантових чисел. Принцип Паулі сигра видатну роль у розвитку сучасної атомної та ядерної фізики Так, наприклад, вдалося теоретично обгрунтувати періодичну систем елементів Д. І. Менделєєва.

Хімічні властивості елементів і ряд їх фізичних властивостей пояснюються поведінкою зовнішніх так званих валентних електронів в атомах. Тому періодичність властивостей хімічних елементів повинна бути пов'язана з певною періодичністю в розташуванні електронів в атомах різних елементів. Теорія періодичної системи основиваетс на наступних положеннях:

  • а) порядковий номер хімічного елемента дорівнює загальному числу електронів в атомі даного елемента;
  • б) стан електронів в атомі визначається набором їх квантових чисел п у /, т і т 8 . Розподіл електронів в атомі по енергетично станів має задовольняти принципом мінімуму потенційно енергії: зі зростанням числа електронів кожен наступний електро повинен зайняти можливе енергетичний стан з найменшою енергією;
  • в) заповнення електронами енергетичних станів в атомі должн відбуватися відповідно до принципу Паулі.

Електрони в атомі, що займають сукупність станів з однаковим значенням головного квантового числа п у утворюють електронну оболонку або електронний шар. Залежно від значень п розрізняють следующи оболонки: До при п = 1, Ь при п = 2, М при п = 3, N при п = 4, Про при п- 5 і т.д Максимальне число електронів, які можуть знаходиться в оболонках відповідно до принципу Паулі: в / С-оболонці - 2 електрони, в оболонках I М у N п Про відповідно 8, 18, 32 і 50 електронів. У кожній з оболоч електрони розподіляються по підгрупах або подоболочкі, відповідним певному значенню орбітального квантового числа.

В атомній фізиці прийнято позначати електронний стан в атомі символом п 1, що вказує значення двох квантових чисел. Електрони знаходяться в станах, що характеризуються однаковими квантовим числами п і /, називаються еквівалентними. Число 2 еквівалентних електронів вказується показником ступеня в символі п 2 . Якщо електрон знаходяться в деяких станах з певними значеннями квантових чисел п і 1, то вважається заданої так звана електронна конфігурація. Наприклад, основний стан атома кисню можна виразити наступною символічною формулою: 1л * 2 , 2-х 2 , А . Вона показує що два електрона знаходяться в станах з п = 1 і / = 0, два електрон мають квантові числа п = 2 і / = 0 і чотири електрона займають стану ся = 2и / = 1.

Порядок заповнення електронних станів в оболонках атомів, а в межах однієї оболонки - в підгрупах (подоболочкі) повинен відповідати послідовності розташування енергетичних рівнів з даними п і /. Спочатку заповнюються стану з найменшою можливою енергією а потім стану з усе більш високою енергією. Для легких атомів це порядок відповідає тому, що спочатку заповнюється оболонка з меншим і лише потім повинна заповнюватися електронами наступна оболонка. У межах однієї оболонки спочатку заповнюються стану с / = 0, а потім стану з великими / аж до / = п - 1. Взаємодія між електронам призводить до того, що для досить великих головних квантових чисел стану з великим п і малим / можуть мати меншу енергію, тобто побут енергетично більш вигідними, ніж стану з меншим п, але з великим / З викладеного випливає, що періодичність хімічних властивостей елементо пояснюється повторюваністю електронних конфігурацій в зовнішніх електронних підгрупах у атомів споріднених елементів.

Дослідження спектрів випромінювання виряджених газів (тобто спектрів випромінювання окремих атомів) показали, що кожному газу властивий цілком певний лінійчатий спектр, що складається з окремих спектральних ліній або груп близько розташованих ліній. Самим вивченим є спектр найбільш простого атома - атома водню. Спектр водень може битьопісан формулою, званої узагальненої формулою Баль-

міра: , де /? - постійна Рідберга (див. Табл. 6.2), т має

в кожній даній серії постійне значення т = 1, 2, 3, 4, 5, 6 (визначає серію), п приймає цілочисельні значення, починаючи з т + 1 (визначається окремо лінії цієї серії). Дослідження більш складних спектрів -В спектрів парів лужних металів (наприклад, 1 л, Иа, К) - показало, чт вони представляються набором незакономерно розташованих ліній. Наведені серіальні формули підібрані емпірично і довгий брешемо не мали теоретичного обгрунтування, хоча і були підтверджені експериментально з дуже великою точністю. Наведений вид серіального формул, дивовижна повторюваність в них цілих чисел, універсальна стала Рідберга свідчать про глибоку фізичному сенс знайдених закономірностей, розкрити який в рамках класично фізики виявилося неможливим.

Перша спроба побудови якісно нової - квантової - теорії атома була зроблена в 1913 р датським фізиком Нільсом Бором. Про поставив перед собою мету зв'язати в єдине ціле емпіричні закономірності лінійчатих спектрів, планетарну модель атома Резерфорд і квантовий характер випромінювання і поглинання світла. В основу своєї теорії Бор поклав два постулати.

Перший постулат Бора (постулат стаціонарних станів): в атомі існують стаціонарні (які не змінюються з часом) стану в яких він не випромінює енергію. Стаціонарним станам атома відповідають стаціонарні орбіти, по яких рухаються електрони. Рух електронів по стаціонарних орбітах не супроводжується випромінювання електромагнітних хвиль. У стаціонарному стані атома електрон, рухаючись по круговій орбіті, повинен мати дискретні квантовані значени моменту імпульсу, що задовольняють умові тиг т = пк (п = 1,2, 3 ...), гд т - маса електрона, V - швидкість по п- й орбіті радіуса

Другий постулат Бора (правило частот): при переході електрона з однієї стаціонарної орбіти па іншу випромінюється (поглинається) кван випромінювання з енергією ку-Е п - Е т > дорівнює різниці енергій відповідних стаціонарних станів [(Е п і Е т - відповідно енергії стаціонарних станів атома до і після випромінювання (поглинання)]. При Е т відбувається випромінювання кванта (перехід атома в стан з більшою енергією, тобто перехід електрона на більш віддалену від ядра орбіту). Набо можливих дискретних частот у = ( Е п - Е т ) / к квантових переходів і визна еляет лінійчатий спектр атома.

Квантова механіка дозволила пояснити питання про випромінювання спектральних ліній атомом, що знаходяться в збудженому стані, а також процеси поглинання випромінювання, яке падає на атом, в повній згоді з досвідом. Припустимо, що електрон знаходиться в деякому енергетичному стані, яке характеризується головним квантовим числом п Імовірність знаходження електрона в елементі обсягу (IV всередині атом виразиться як | ф "| 2 (1V. Було показано, що в квантовому стані, яке характеризується головним квантовим числом п, ймовірність місця розташування електрона в атомі не залежить від часу, не змінюється з плином часу. Електрон в такому стані не буде здійснювати коливань і випромінювати енергію. Його енергія Е п не змінюватиметься. Енергетичне стан електрона, характеризується певною енергією Е п являетс стаціонарним. Перебуваючи в цьому стані, електрон не випромінює енергію Це є пояснення першого постулату Н. Бора про наявність у атома стаціонарних станів, перебуваючи в яких електрони атома не випромінює енергію. З точки зору квантової механіки стаціонарне состояни атома має зберігатися як завгодно довго, якщо немає причин, що викликають зміну енергії атома. Проте досвід показує, що атом, що знаходиться в збудженому енергетичному стані, сам собою переходь в нормальне, невозб дження стан, випромінюючи світло. Таке випромінювання відбувається за відсутності зовнішніх причин, що змінюють енергію атома називається мимовільним, або спонтанним, випромінюванням. У квантово фізики перехід атома з одного стану в інший, пов'язаний з випромі чением або поглинанням кванта Е = Іу, описується за допомогою загального рівняння Шредінгера, в якому хвильова функція електрона зависи не тільки від координат, але і від часу, ф = ф (х , у, 2,?).

Квантова механіка дозволила подолати непослідовність теорії Бора. Виявилося, що рівняння Шредінгера складено так вдало, що його рішення для електронів в атомі дозволяє без всяких постулатів і правил відбору отримати всі пояснення даних спостережень. Перехо атома з одного стану в інший означає перехід між цими станами його оптичного електрона, описуваного хвильової функцією ф Природно, що сам спектр випромінювання складається з окремих ліній, що відповідають переходам між дискретними рівнями енергії в атомі і охоплює досить широкий діапазон частот - область інфракрасног випромінювання, видиму область, ультрафіолетову частину спектру і даж рентгенівський лінійчатий спектр (в разі важких атомів). Атоми різних хімічних елементів мають різні спектри випромінювання На цьому заснований спектральний аналіз хімічного складу таких небесних тіл, як Сонце і зірки.

Таким чином, в області мікросвіту згідно сучасної природничо-наукової картини світу па зміну «хвилях матерії» прийшли «хвилі ймовірності». Імовірнісна трактування хвильової функції відображає властиві мікрооб'єктами елементи випадкового в їх поведінці. Необхідно виявляється лише ймовірність поведінки мікрооб'єктів. Це означає, чт передбачення в квантовій фізиці мають, взагалі кажучи, імовірнісних характер і, отже, фізика мікрооб'єктів є принципово статистичної теорії. Чи випадковий факт виявлення електрона в те чи іншому місці близько ядра; ймовірність ж його виявлення в данно місці цілком певна, тобто визначається формою і розмірами відповідного «електронної хмари».

Імовірність лежить в самій основі квантової механіки і взагалі квантової фізики. Академік В. А. Фок писав: «У квантовій механіці поняття ймовірності є поняття первинне, воно відіграє там фундаментальну роль». «Статистичні методи в фізиці, - писав Борн, - у міру розвитку науки поширювалися все більше і більше, і сьогодні можн сказати, що сучасна фізика повністю спирається на статистичні основу ... Це є подією в історії людського мислення, значення якого виходить за межі самої науки ».

Імовірнісний підхід до опису явищ мікросвіту зовсім не означає, що рух мікрочастинок непередбачувано і довільно Знаючи хвильову функцію, можна визначити ймовірність появи частки в будь-якому місці і в будь-який час. На зміну жорстко детермінованим законам класичної фізики, справедливим в макросвіті прийшли імовірнісні закони, що працюють в мікросвіті. Вони є виручкою відображенням специфіки мікрооб'єктів, проявом нових властивостей матерії на рівні її найдрібніших структурних одиниць. Принцип соответстви працює і тут - при переході до макрооб'єктів квантово-механічно аспект руху стає невідчутним через дуже низького значени постійної Планка к. Динамічні закони є граничний випадок більш загальних імовірнісних закономірностей. Останні не є свідченням неповноти нашого знання, а відображають глибоке розуміння властивостей матерії на новому якісному рівні.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >