Двойственная природа света и материи

Согласно квантовой теории Планка, энергия кванта электромагнитного излучения - фотона - равна:

E = h^. 

Согласно теории А. Эйнштейна, та же энергия равна:

E = m^.c²

Тогда: h^. = m^.c²

Полученное выражение связывает друг с другом характеристики корпускулярных (m) и волновых () свойств фотона. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль

распространил идею Эйнштейна

о двойственности природы света на вещество, предположив, что поток любых материальных частиц должен обладать и волновыми свойствами. Иными словами, движение частицы было сопоставлено с распространением волны.

При этом:

где - скорость движения частицы с массой m.

Движение электронов описывается как процесс корпускулярный и волновой.

Понятие о квантовой механике

Из уравнения де Бройля следует, что для электрона, который имеет массу 9,109^.10^-31 кг, движущегося со скоростью, равной, например, 1/100 скорости света ( = (1/100)^.2,998^.10⁸ м/с) длина волны:

м

Расстояние между узлами кристаллической решетки различных соединений, между соседними атомами в большинстве молекул и размеры самих атомов соизмеримы с полученным значением . Таким образом, электрон в атоме обладает как свойствами частицы, так и волновыми свойствами. Частицы, размеры которых соизмеримы с их длиной волны или меньше, называются микрочастицами или микрообъектами. Частицы больших размеров относят к макрообъектам.

Правильное описание движения электрона в атоме должно учитывать двойственный характер электрона. Это невозможно в рамках классической механики Ньютона, но оказывается возможным с помощью более общей механики - квантовой, основы которой заложили немецкий ученый Вернер Гейзенберг

и австрийский физик Эрвин Шредингер

В квантовой механике состояние микрочастицы полностью описывается не ее координатой и скоростью, а некоторой функцией  «пси» - волновой функцией.

Функция , описывающая состояние электрона в атоме или молекуле и являющаяся обычной математической функцией, называется орбиталью.

Вследствие вероятностного характера волновых процессов квадрат - функции характеризует вероятность нахождения электрона в заданной точке пространства.

Форма электронного облака определяется формой той части пространства, где наиболее вероятно нахождение электрона.

Поэтому:

 - орбиталь;

² - мера вероятности, электронное облако.

Квантовомеханическая модель атома

Распределение электрона по энергиям и в пространстве атома водорода определяется волновой функцией , зависящей от некоторых трех величин, принимающих целочисленные значения. Эти величины называют квантовыми числами.

Среди них: n - главное квантовое число, l - орбитальное квантовое число, m - магнитное квантовое число.

Позже было показано, что электрон также характеризуется четвертым квантовым числом - спиновым (m_s).

Главное квантовое число. n = 1,2,3...∞

Таким образом, главное квантовое число характеризует энергию электрона в атоме.

Об электронах атома, имеющих одно и то же значение n, говорят, что они относятся к некоторой общей электронной оболочке или энергетическому уровню.

Орбитальное квантовое число. Орбитальное квантовое число определяет форму электронного облака. Данное число принимает значения l = 0,1,2...(n-1). Для удобства использования численные значения l заменяются на буквенные:

Каждой комбинации главного и орбитального квантовых чисел отвечает некоторая электронная подоболочка или энергетический подуровень.

Исходя из значений n и l, возможны следующие типы электронных подоболочек:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 5g, 6s, 6p, 6d, ...

Магнитное квантовое число. Магнитное квантовое число определяет возможные ориентации электронного облака в пространстве. Количество таких ориентаций равно количеству возможных значений магнитного квантового числа, принимающего целочисленные значения от -l до +l, включая 0: m = -l...0...+l.

условно отражаемые в записях электронных конфигураций стрелками ( и ).