Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

КВАНТОВО-МЕХАНІЧНА ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОННОЇ БУДОВИ АТОМІВ

Однією з найважливіших передумов появи хвильової механіки стало виведення французького фізика Луї де Бройля (1892-1987) про хвильових властивості матерії, сформульований в 1924 р Згідно дс Бройля, хвильові властивості притаманні взагалі всім матеріальним об'єктам - і микрочастицам, і масивним тіл. Квант електромагнітного випромінювання фотон характеризується певною частотою коливання V, пов'язаної з нею енергією Е (рівняння (5.1)) і довжиною хвилі X (рівняння (5.2)). З урахуванням рівняння Ейнштейна Е = тс 2 фотон володіє також і масою. Прирівнюючи праві частини рівняння Ейнштейна і рівняння (5.1), отримаємо hv = тс 2 . Замінюючи частоту v на Х / с відповідно до рівняння (5.2), отримаємо остаточно для фотона

Перетворення формул рекомендуємо виконати самостійно на папері.

Для будь-якої іншої частинки або тіла, що рухаються зі швидкістю v і мають масу т, буде справедливо, на думку де Бройля, наступне рівняння:

Ця гіпотеза могла бути перевірена в першу чергу на частинках з найменшою масою, якими є електрони. І дійсно, в 1927 р американські фізики К. Девіссон і Л. Джермер виявили розсіювання (дифракцию) потоку електронів на нікелевої платівці, подібну розсіювання рентгенівських променів. Це відкривало шлях до правильного розуміння електронної структури атомів.

У макрооб'єктів, таких як летить бджола, тенісний м'яч, штучний супутник Землі і т.д., хвильові властивості не помітні на тлі власних розмірів об'єкта, і враховувати їх практично не потрібно. Інакша ситуація з електроном Ватомо. Маса електрона т е = 9,11 * 10 -31 кг, а швидкість його руху в атомі водню (по теорії Бора) v = 2,2 • 10 6 м / с. Обчислюємо довжину хвилі електрона:

Сама по собі ця довжина хвилі дуже мала, але її треба порівнювати з розміром атома, де рухається електрон. Радіус атома водню дорівнює лише 53 пм. В цьому і полягає надзвичайно важлива відмінність системи електрон - ядро від такої системи, як штучний супутник - Земля або планета - Сонце. Довжина хвилі електрона в 6 разів перевищує радіус атома. Тому хвильові властивості електрона в атомі не тільки проявляються, але довжина його хвилі і визначає розмір атома - вона збігається з довжиною кола радіуса 53 ім.

Наші звичні уявлення про рух тіл не дозволяють уявити собі поєднання в одному об'єкті хвильових і корпускулярних властивостей (корпускула - частка). Цей дуалізм (подвійність) слід прийняти як факт, і не обов'язково намагатися його якимось чином пояснити. Для порівняння зазначимо, що нам відомо про наявність в природі протонів, електронів і нейтронів, необхідних для утворення атомів, але ми не намагаємося пояснювати, чому існують ці частинки і мають саме такі властивості, які встановлені фізикою.

Хвильовий рух електрона в атомі створює ефект розподілу його в деякому обсязі, в центрі якого знаходиться ядро атома. Електрон, що рухається набуває схожість з хмарою пари. З цієї аналогії виникло загальноприйняте уявлення про електронні хмарах в атомі. Можна обчислювати ймовірність w появи електрона в малому обсязі простору dV. Ставлення w / dV називається щільністю ймовірності або, коротше, щільністю електронного хмари. У міру віддалення від ядра щільність електронної хмари убуває (рис. 5.2), і на деякій відстані може вважатися близькою до 0. Це відстань приблизно відповідає радіусу сфери, в якій ймовірність знаходження електрона складає 90%. Крім щільності ймовірності в деякій точці, можна обчислювати і щільність ймовірності для деякої сфери з центром на атомному ядрі. Тоді виявляється, що для сфери з радіусом 53 пм щільність ймовірності появи електрона максимальна. Таким чином, радіус орбіти електрона з теорії Бора збігається з радіусом сфери максимальної електронної щільності.

Сферична орбиталь атома водню

Мал. 5.2. Сферична орбиталь атома водню:

щільність електронної хмари максимальна на відстані від ядра 53 пм і убуває але міру віддалення від ядра; умовна поверхню обмежує область 90% -вої ймовірності знаходження електрона

Область простору в атомі, відповідна заданої ймовірності перебування електрона, називається орбиталью.

Хвильовий рух електрона можна уподібнити стоячій хвилі на закріпленій струні. При ударі вона приходить в коливальний рух, причому на ній може укладатися 1, 2, 3 і т.д. полуволн. На рис. 5.3 показані струна в коливальних станах з однієї і двома півхвилю і аналогічні стану електрона, що утворює при цьому орбіталі різної форми. З цієї аналогії особливо важливо зрозуміти, що, подібно до закріпленої струні, електрону в атомі відповідає деякий набір станів, перехід між якими носить стрибкоподібний характер: всі проміжні стану заборонені.

Коливальні стану струни і аналогічні їм електронні орбіталі

Мал. 53. Коливальні стану струни і аналогічні їм електронні орбіталі

 
<<   ЗМІСТ   >>