Принцип корпускулярно-волновой двойственности свойств

Строение атома

План лекции

1. Основные принципы квантовой теории строения атома: корпускулярно-волновой дуализм явлений микромира, принцип неопределенности Гейзенберга, волновая функция и уравнение Шредингера, атомная орбиталь.

2. Квантовые числа: n, l, l_m, m_s (spin)- их физический смысл. Энергетические уровни и подуровни атома. Формы атомных орбиталей.

3. Принципы заполнения атомных орбиталей электронами: запрет Паули, Принцип Гунда, принцип минимума энергии (правила Клечковского), принцип симметрии электронной плотности.

4. Способы записи электронных формул атомов. Представления об электронном остове и орбиталях валентных уровней атома.

 

Литература

1. Н.Л. Глинка. Общая химия. Ленинград. «Химия», 1988 г. стр 55-105.

2. Д.А. Князев, С.Н. Смарыгин. Неорганическая химия. М., «Высшая школа», 1990 г. стр. 84-100.

3. О.І. Карнаухов. Загальна та біонеорганічна хімія. Київ, «Фенікс»,2001г.

 

Неорганическая химия изучает свойства химических элементов и их соединений. По современным представлениям химический элемент - это совокупность атомов с определенным зарядом ядра. Взаимосвязи химических элементов отражает Периодическая система химических элементов, структура которой тесно связана со строением атомов элементов.

До конца 19 века атомы считались неделимыми. Однако по мере накопления опытных данных было установлено, что атом имеет сложное строение – состоит из положительно заряженного ядра, очень малого по размеру, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра вращаются электроны, которые образуют электронную оболочку атома.

Описать движение электронов в атоме с позиций классической механики и электродинамики невозможно, так как заряженная частица, двигающаяся по кругу, должна излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро.

В 20-е годы ХХ столетия была создана новая наука - квантовая механика, рассматривающая атом как систему микрочастиц, не подчиняющихся законам классической механики.

Квантовая механика базируется на следующих принципах:

- принцип квантования энергии Планка;

- принцип корпускулярно-волновой двойственности свойств;

- принципу неопределенности Гейзенберга;

- уравнение Шредингера

 

 

Принцип квантования энергии Планка

В 1900 г. немецкий физик М. Планк, изучавший тепловое излучение твердых тел, пришел к выводу, что переход электрона из одного стационарного состояния в другое сопровождается излучением отдельных порций энергии - квантов. Квант энергии впоследствии назвали фотоном.

Значение одного кванта энергии равно

Δ E = h ν,

где Δ E - разность энергий начального и конечного состояний электрона, энергия кванта, Дж;

ν - частота, с^-1;

h - постоянная Планка, равная 6,626·10⁻³⁴ Дж·с.

Фотон обладает и свойствами частицы и свойствами волны, но от истинной частицы отличается тем, что невозможно точно определить его положение в пространстве, как невозможно точно определить положение волны. А от истинной волны отличается невозможностью делиться на части – полуволны. Фотон – целая единичная волна.

Тикам образом, фотон не является ни частицей, ни волной. Ему присуща корпускулярно-волновая двойственность (дуализм свойств).

принцип корпускулярно-волновой двойственности свойств

 

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль предположил, что корпускулярно-волновыми свойствами обладает не только фотон, но и любая другая частица, движущаяся со скоростью V. Он получил уравнение, связывающее скорость движения частицы с длиной волны производимого ей электромагнитного излучения (уравнение де Бройля):

где m - масса частицы

v - ее скорость

h - постоянная Планка

λ - длины волны де-Бройля

 

 

Сравним волновые и корпускулярные свойства электрона:

m_ē = 9,1·10^{-31 кг}

V_ē = 10⁸ м/с

h = 6,626·10⁻³⁴ Дж·с.

волновые	и свойства	корпускулярные
λē	:	mē
10-11	:	10-30
1019	:

Исходя из уравнения де Бройля, можно сделать вывод, что для электрона волновые свойства превосходят корпускулярные. Быстро движущийся электрон может находиться в любой части пространства, окружающего ядро, и совокупность различных его положений рассматривается как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда.

Плотность электронного облака неравномерна. Максимальная плотность отвечает наибольшей вероятности пребывания электрона в данной части атомного пространства. Ту часть области, где вероятность обнаружения электрона составляет больше 90%, называют атомной орбиталью (АО).

На рисунке изображено поперечное сечение атома водорода. Электрон атома водорода образует шарообразное электронное облако. Вблизи ядра электронная плотность практически равна нулю, т.е. электрон здесь почти не бывает. По мере удаления от ядра электронная плотность возрастает и достигает максимального значения на расстоянии 0,053 нм.