Квантово-механическое представление о строении атома. Квантовые числа и их физический смысл

Строение атома. Модели атома (Морозова, Резерфорда, Бора). Теория Бора. Уравнение Планка. Принцип неопределенности Гейзенберга. Волновая функция.

Все вещества состоят из атомов. Атомы бывают различные. Атомы каждого вида одинаковы между собой, но они отличаются от атомов любого другого вида. Атом — система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов. Тип атома определяется составом его ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами. Элемент — совокуп­ность атомов с одинаковым зарядом ядра, т. е. числом протонов. Атомы эле­мента могут иметь различные числа нейтронов в составе ядра, а следовательно, и массу. Такие атомы, относящиеся к одному элементу, называются изотопами. Каждый известный элемент имеет свое обозначение. Так водород обозначает­ся как Н, углерод — С. Атом — наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами.

При химическом взаимодействии атомов образуются молекулы. Молекулы
бывают одноатомные (молекулы гелия Не), двухатомные (азота N2), многоатомные (воды Н₂О,) и полимерные (содержащие до сотен тысяч и более атомов — молекулы металлов в компакт­ном состоянии, белков, кварца). При этом атомы могут соединяться друг с дру­гом не только в различных соотношениях, но и различным образом. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных веществ очень велико. Состав и строение молекул определяют состояние вещества при выбранных условиях и его свойства. Например, диоксид углерода СО₂
при обычных условиях — газ, взаимодействующий с водой. При хими­ческих явлениях молекулы разрушаются, но атомы сохраняются. Во многих химических процессах атомы и молекулы могут переходить в заряженное состояние с образованием ионов — частиц, несущих избыточный положительный или отрицательный заряды.

Модель атома.

1. Первая модель М.П. Морозова была разработана в 1960 г. – атом некий кристалл в узлах находятся электроны, в середине сосредоточен «+» заряд.

2. Э. Резерфорд в опытах по рассеянию а-частиц было показано, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме — положительно заряженном ядре. Согласно мо­дели Резерфорда, вокруг ядра на относительно большом рас­стоянии непрерывно движутся электроны, причем их число тако­во, что в целом атом электрически нейтрален. Однако планетарная модель Резерфор­да противоречила факту, устойчивого существования атомов. В результате ускоренного движения электрона расходуется энергия его электростатического взаимодействия с ядром и согласно расчетам через 10⁸ с электрон должен упасть на ядро.

3. Строение атома по Бору:

Н. Бор исходил из планетарной модели атома. Вывод: энергия электронов в атоме не может меняться непрерывно, а изменяется скачками, т.е. дискретно.

Постулаты Бора:

1) ℮ может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по конкретным круговым орбитам. Эти орбиты получили название стационарных.

2) двигаясь по стационарной орбите, ℮ не излучает электромагнитной энергии.

3) излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна, разности энергии атома в конечном и исходном состояниях. Т.е. энергия электрона, вращающегося вокруг ядра, зависит от радиуса орбиты.

Уравнение Планка: E=hν

Принцип неопределенности Гейзенберга. Предположим что невозможно определить траекторию и скорость электрона, т.е. ∆р*∆х≥h/2π соотн. неопределенности Гейзенберга, где ∆р – неопределенная величина импульса, ∆х – неопределенное положение частицы в пространстве. Невозможно в любой момент времени определить и положение ℮ в пространстве и импульс, т.е. скорость движения ℮. Движение ℮ носит волновой характер, и наши знания о положении ℮ носит статистический характер.

Для описания свойств электрона используют волновую функцию, которую обозначают буквой ψ (пси). Квадрат ее модуля |ψ|², вычисленный для определенного момента времени и определенной точки пространства, пропорционален вероятности обнаружить частицу в этой точке в указанное время. Величину |ψ|² называют плотностью вероятности. Наглядное представление о распределении электронной плотности атома дает функция радиального распределения.

Квантово-механическое представление о строении атома. Квантовые числа и их физический смысл.

Распределение ℮ по энергии и в пространстве атома водорода определяется волновой функцией, зависящей от сферических координат ℮ и от трех параметров (n, e, m_e), принимающих целочисленные значения.

1. Главное квинтовое число – n, характеризует энергию орбитали и ее размер n=1,2,…∞, n=Nпериода.

2. Орбитальное гл. кв. число (побочное) – l, характеризует форму орбитали s,p,d,f. l =0, до n-1

3. Магнитное главное кв. число – m, характ. направленность орбитали в пространстве: m=-℮..,0,..+ ℮

4. Спиновое гл. кв. число – s, характ. вращение ℮ вокруг своей оси: s=+½ и s= ½.