Квантово-механическая модель строения атома. Рабочая программа. Атом и его структурные элементы: атомное ядро (протоны, нейтроны) и электронная оболочка

Рабочая программа. Атом и его структурные элементы: атомное ядро (протоны, нейтроны) и электронная оболочка. Свойства структурных элементов атома. Электрон как элементарная частица. Модель атома Н. Бора. Корпускулярно - волновой дуализм электрона. Уравнение де Бройля. Принцип неопределенности Гейзенберга.

Квантово-механическое объяснение строения атома. Уравнение Шредингера. Волновая функция. Квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное и спиновое числа, их энергетический и геометрический смысл.

Понятия: атомная орбиталь, граничная поверхность, энергетические уровни и подуровни. Квантовые ячейки. Форма атомных орбиталей, их ориентация в пространстве. Распределение электронных плотностей.

Многоэлектронные атомы. Принципы заполнения электронами атомных орбиталей: запрет Паули, принцип наименьшей энергии, правило Клечковского, правило Гунда.

До середины ХIХ века атом считался мельчайшей и неделимой частицей материи. Открытие электрона и радиоактивности доказало сложность строения атома.

Электрон был открыт в 1897 г. Масса электрона равна 9,11 10^{-27 г (5,9.}10^-4 а.е.м.), а заряд – 1,6^.10^-19 Кл. Заряд электрона принят за единицу отрицательного электричества.

Открытие радиоактивности в 1896 г. и последующие исследования показали, что атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Радиус атома имеет порядок ~ 10^{-10 м, а ядра – 10-14 м. Согласно планетарной модели Резерфорда основная масса атома сосредоточена в ядре, а электроны обращаются вокруг ядра подобно планетам Солнечной системы. Атом, устроенный таким образом, должен непрерывно испускать электромагнитное излучение, и время его жизни должно составлять ~10-8}с. В действительности атом устойчив и не излучает самопроизвольно.

Противоречие было разрешено датским физиком Н. Бором. Согласно постулатам модели Бора электроны в атоме движутся по определенным орбитам без потери энергии. Переход электрона с одной орбиты на другую сопровождается поглощением или испусканием энергии. В этом процессе энергия изменяется квантами:

Е₁ – Е₂ = hν, (5.1)

где Е₁ и Е₂ – энергия электрона в начальном и конечном состояниях; h – постоянная Планка (6,626^.10^-34 Дж^.с); ν – частота излучения.

Модель Бора позволила теоретически рассчитать спектр, а также некоторые другие характеристики атома водорода, но оказалась неприменимой для многоэлектронных атомов.

Дальнейшее развитие теории строения атома стало возможным на базе принципиально новых подходов к природе движения электрона.

Корпускулярно-волновой дуализм электрона. В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль предположил, что движение любого тела, в том числе и электрона, является волновым и удовлетворяет соотношению

, (5.2)

где λ – длина волны; h – постоянная Планка; m – масса тела; v – скорость тела.

Для обычных тел с большой массой длина волны ничтожно мала и не может быть измерена. Электроны, подобно свету, могут испытывать дифракцию и интерференции. Волновой характер движения электрона был подтвержден экспериментально.