Состояние электрона в атоме

Планетарная модель строения атома, предложенная Резерфордом, не могла объяснить устойчивость атома. Вращающийся вокруг ядра электрон, как любое движущееся заряженное тело, должен был бы непрерывно излучать электромагнитную энергию в виде световых волн, т.е. двигаться по спирали и упасть на ядро. Оказалось, что движение электронов, как и других микрообъектов, не подчиняется законам классической физики. Движение и взаимодействие микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул) стало предметом изучения сложившейся в первые три десятилетия ХХ в. новой науки - квантовой механики, основу которой заложили следующие идеи.

1. В 1900 г. немецкий физик М.Планк, исследуя тепловое излучение нагретых тел, установил, что вещества испускают и поглощают энергию не непрерывно, а конечными (дискретными) порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения ν: E = ħ ν ,

где ħ = 6,626^.10^-34 Дж^..с - постоянная Планка.

2. Предложенная квантовая теория света получила дальнейшее развитие в работе А.Эйнштейна. В 1905 г., анализируя явление фотоэффекта (выбивание электронов из металла падающим светом), он пришел к выводу, что электромагнитная (лучистая) энергия существует только в виде квантов, а само излучение представляет собой поток частиц - фотонов.

Энергия фотона определяется уравнением Планка. Но фотон с энергией Е обладает как частица и определенной массой m, что определяется уравнением Эйнштейна. Приравнивая выражения для энергии фотона по этим уравнения, получаем: ħ ν = m ^. c². Выражая частоту излучения через длину волны: ν = с / λ , получаем соотношение между длиной волны и массой фотона: λ = ħ / m с , т.е. из теории Эйнштейна следует, что свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. Фотон, выбивая электрон из металла, ведет себя подобно частице (корпускуле). А волновой характер распространения света (дифракция, интерференция) указывает на волновые свойства фотона.

3. В 1913 г. датский физик Н.Бор, исходя из модели Резерфорда и квантовой теории света, предложил квантовую модель строения атома, которую сформулировал в виде двух постулатов (утверждений, принимаемых без доказательств):

- электрон в атоме может находиться только в стационарных состояниях с дискретными значениями энергии, в этих состояниях атом не излучает энергию;

- переход из одного состояния в другое может происходить только скачкообразно, при этом атом испускает или поглощает энергию в виде светового кванта, характеризующегося определенной частотой колебаний: ν = ∆Е / ħ .

Бор предложил модель строения атома водорода, согласно которой единственный электрон движется вокруг ядра не по любым, а лишь по определенным, "разрешенным" орбитам, на которых он обладает определенными значениями энергии. Атом обладает минимальной энергией, т.е. находится в основном состоянии, когда электрон находится на первой, ближней к ядру орбите. При поглощении энергии атом переходит в возбужденное состояние, электрон при этом переходит на более высокие, удаленные от ядра орбиты. Это состояние неустойчиво. При обратном переходе электрона с более высокой орбиты на более низкую атом излучает квант света: ∆Е = Е_возб - Е_осн = ħν . Бор вычислил радиусы орбит.

Теория получила экспериментальное подтверждение в атомных спектрах веществ. Каждая линия в них характеризуется определенной частотой колебаний света и отражает переход одного из внешних электронов атома с одного энергетического уровня на другой. Но теория Бора объясняла не все линии в атомных спектрах. Она была непригодна для многоэлектронных атомов.

4. В 1924 г. французский ученый Л.де Бройль выдвинул предположение, что электрону и любой другой микрочастице так же, как и фотону, свойственна двойственная корпускулярно-волновая природа. Вскоре это было подтверждено экспериментально: американскими физиками К.Дэвиссоном и Л. Джермером открыта дифракция электронов на кристаллах. Де Бройль вывел уравнение, связывающее длину волны микрочастицы с ее массой и скоростью: λ = ħ / m v

5. В 1927 г. немецкий физик В.Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, согласно которому координаты и скорость микрочастицы принципиально невозможно точно определить в любой момент времени (в каждый момент можно определить только одно из этих свойств). Поэтому нельзя точно описать размер и формы орбит электронов, размер и форму атома. Можно оценивать только вероятность нахождения электрона в какой-либо области пространства вблизи ядра.

Итак, основные положения, на которых базируется квантовая механика:

- квантовый характер энергетических изменений (энергия микрочастиц изменяется скачкообразно),

- двойственное корпускулярно-волновое поведение микрочастиц (имеют массу и заряд, а движение их подчиняется волновым законам),

- неопределенность положения и скорости (для движущихся электронов невозможно определить точное положение, рассчитывается вероятность нахождения электрона в различных частях пространства вблизи ядра).

Движение электрона описывается в квантовой механике с помощью волновой функции ψ, величина которой позволяет рассчитать вероятность обнаружения электрона в каком-либо месте пространства около ядра (ее изменение имеет волновой характер). В 1926 г. австрийский физик Э.Шрёдингер вывел волновое уравнение - основное уравнение квантовой механики, показывающее связь волновой функции с энергией электрона и его пространственными координатами: ħ²/8π² m ψ (d² ψ/dx² + d² ψ/dy² + d² ψ/dz²) + U = E , где m - масса электрона, первый член уравнения - кинетическая, U - потенциальная и Е - полная энергии электрона. Решение его связано с большими математическими трудностями. Оно точно решено для атома Н и ряда одноэлектронных ионов: Не⁺, Li²⁺, H₂⁺.

Решения уравнения Шрёдингера - дискретные наборы волновых функций, которые описывают возможные состояния электрона в атоме. Вероятность положения электрона пропорциональна квадрату волновой функции ψ², или плотности вероятности. Эта величина обрисовывает положение электрона в атоме в виде размазанного облака. Электрон может находиться в любом месте пространства, но в области, где значения ψ² выше, он пребывает чаще.

Область пространства вблизи ядра, где ψ² имеет наибольшие значения и вероятность нахождения электрона составляет ~ 90%, называется электронной орбиталью, (или атомной орбиталью, или электронным облаком). Это пространство может быть представлено в виде объемной геометрической фигуры. В нем энергия электрона минимальна.

В упрощенном понимании орбиталь - это место пребывания электрона в атоме, или он сам, описывающий в своем движении пространство определенной формы, как бы размазанный по этому пространству.