Гаримович Богдан, МЭО, 1группа 22.10.2012
Тема 4. Основы современных концепций микро- и наномира Лабораторная работа № 4
Эксперимент 1. Изучение основных понятий, связанных с современными представлениями о строении вещества на уровне микромира.
Задание 1.
1. Кратко опишите, что представляет в современном понимании такая сущность, как электрон. Какую форму принимает его движение?
Вывод:
Согласно современным представлениям физики элементарных частиц, электрон неделим и бесструктурен Электрон участвует в слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц — его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен 1/2, и, таким образом, электрон относится к фермионам. Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент. Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака). В этом случае отрицательно заряженный электрон называют негатроном, положительно заряженный — позитроном.
Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматривается как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отличаться от массы электрона.
Свободный электрон не может поглотить фотон, хотя и может рассеять его.
2. Кратко сформулируйте, как характеризуют в настоящее время состояние электрона.
Вывод:
Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором
Эксперимент 2. Изучение посредством моделирования основных понятий, связанных энергетическими состояниями атома
Задание 2.
Изучите, используя квантовомеханическую модель атома водорода, какой вид будет иметь график общей энергии электрона на данной орбитали в зависимости от главного квантового числа n .
Сделайте выводы о следующем.
1.
Верно
ли то,
что энергия состояний электрона принимает
дискретные значения и, если
увеличивается, то электрон слабее связан
с ядром, энергия такого электрона
становится ближе к нулю, то есть к энергии
свободного электрона, который покидает
свой атом.
2.
Какую
надо сообщить внешнюю дополнительную
энергию,
чтобы электрон перешел в возбужденное
состояние, характеризуемое главным
квантовым числом
.
deltaW12= W1-W2
Вывод:
Электроны
с
образуют ближайший к ядру атома
электронный слой (энергетический
уровень). Электроны с
образуют второй от атома электронный
слой и т. д. Поскольку поведение электрона
определяется кулоновским взаимодействием
и, следовательно, расстоянием от ядра
(электроны ближнего слоя притягиваются
ядром сильнее, а электроны дальнего
слоя – слабее), то главное квантовое
число n
задаёт размер орбитали и энергию
электрона
Величина энергии в джоулях
в зависимости от квантового числа
Wn =1.0e-017 *
-0.2180 -0.0545 -0.0242 -0.0136 -0.0087 -0.0061 -0.0044 -0.0034 -0.0027 -0.0022
В
еличина
энергии в электрон-вольтах
в зависимости от квантового числа
Wewn =-13.6058 -3.4015 -1.5118 -0.8504 -0.5442 -0.3779 -0.2777 -0.2126 -0.1680 -0.1361
3. Какие
порции энергии будут излучены,
если электрон будет возвращаться на
основную орбиталь из возбужденного
состояния с
в первом случае единым переходом, а в
другом случае - через промежуточный
уровень с
.
Delta W31= -1.5118 -( -13.6058)= 12,094 (эВ)
Delta W 32= -1.5118-( -3.4015)= 1,8897 (эВ)
Delta W 21= -3.4015-( -13.6058)=10,2043 (эВ)
Задание 3.
2
.
Изучите,
используя квантовомеханическую модель
атома водорода, какая испускается порция
энергии и какой частоты будет излучение
при переходе электрона с орбитали,
характеризуемой главным квантовым
числом
,
(более удаленной от ядра), на более
близкую к ядру орбиталь
.
Возьмите
, а
.
Сделайте выводы о том, в какой диапазоне оптического излучения (ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном) будет излучение.
Вывод:
Номера главных квантовых чисел
n = 1
m = 5
Испускаемая энергия DeltaWn = -13.0616
Длина волны, в нанометрах lambda = 94.9894
Диапазон оптического излучения: ультрафиолетовый
Серия Лаймана
Номера главных квантовых чисел
n = 1
m = 4
Испускаемая энергия DeltaWn = -12.7554
Длина волны, в нанометрах lambda = 97.2691
Диапазон оптического излучения: ультрафиолетовый
Серия Лаймана
Номера главных квантовых чисел
n = 1
m = 3
Испускаемая энергия DeltaWn = -12.0940
Длина волны, в нанометрах lambda = 102.5885
Диапазон оптического излучения: ультрафиолетовый
Серия Лаймана
Номера главных квантовых чисел
n = 1
m = 2
Испускаемая энергия DeltaWn = -10.2044
Длина волны, в нанометрах lambda = 121.5864
Диапазон оптического излучения: ультрафиолетовый
Серия Лаймана
Номера главных квантовых чисел
n = 2
m = 5
Испускаемая энергия DeltaWn = -2.8572
Длина волны, в нанометрах lambda = 434.2371
Диапазон оптического излучения: ультрафиолетовый
Серия Лаймана
Номера главных квантовых чисел
n = 2
m = 4
Испускаемая энергия DeltaWn = -2.5511
Длина волны, в нанометрах lambda = 486.3455
Диапазон оптического излучения: ультрафиолетовый
Серия Лаймана
Номера главных квантовых чисел
n = 2
m = 3
Испускаемая энергия DeltaWn = -1.8897
Длина волны, в нанометрах lambda = 656.5665
Диапазон оптического излучения: ультрафиолетовый
Задание 4.
Изучите, используя квантовомеханическую модель атома, почему уменьшение в стратосфере содержания озона составляет в настоящее время одну из наиболее острых проблем глобальной экологии.
Сформулируйте кратко, почему уменьшение или исчезновение озона в стратосфере создает серьезную угрозу
Эксперимент 4. Изучение основных понятий, связанных с современными представлениями о квантовомеханической модели атома
Задание 5.
Получите, используя имеющиеся интерактивные таблицы Менделеева, следующие данные.
А) Используя Интернет- ресурс (находящийся в папке) и интерактивную таблицу (Periodic Table) представьте сведения о строении орбиталей атомов водорода, гелия, атомов элементов Li, Be, C, N, O, F, Ne.
Б) Используя Интернет- ресурс (находящийся в папке) и интерактивную таблицу (Periodic Table) для калия, меди, алюминия, серебра, цезия, золота, франция представьте в виде таблицы 1 сведения об энергии ионизации химического элемента, то есть о количество энергии, необходимое для отрыва наиболее слабо связанного электрона от атома.
Таблица1
Nп/п |
Элемент |
Энергия ионизации, эВ |
Энергия ионизации, кДж |
1 |
Калий К |
4,39 |
6,976 |
2 |
Медь Сu |
7,724 |
12,3584 |
3 |
Алюминий Al |
5,986 |
9,5776 |
4 |
Серебро Ag |
7,574 |
12,1184 |
8 |
Цезий Cs |
3,893 |
6,2288 |
9 |
Золото Au |
6,2288 |
9,96608 |
10 |
Франций Fr |
3,98 |
6,368 |
В) Используя Интернет- ресурс (находящийся в папке) и интерактивную таблицу (Periodic Table) для калия, меди, алюминия, серебра, фтора, хлора, брома представьте в виде таблицы 2 сведения о электроотрицательности, то есть способности атомов химического элемента притягивать к себе общие электронные пары.
Таблица 2
Nп/п |
Элемент |
Электроотри-цательность, эВ/атом |
Электроотри-цательность, кДж |
1 |
Калий К |
0,82 |
1,312 |
2 |
Медь Cu |
1,90 |
3,04 |
3 |
Алюминий Al |
1,61 |
2,576 |
4 |
Серебро Ag |
1,93 |
3,088 |
5 |
Фтор F |
3,98 |
6,368 |
6 |
Хлор Cl |
3,16 |
5,056 |
7 |
Бром Br |
3,96 |
6,336 |
Г) Используя Интернет- ресурс (находящийся в папке) и интерактивную таблицу (Periodic Table) для фтора, хлора, брома представьте в виде таблицы 3 сведения о сродстве химического элемента к электрону, то есть о количестве энергии, которая выделяется или поглощается при присоединении одного электрона к нейтральному атому.
Таблица 3
Nп/п |
Элемент |
Сродство к электрону, эВ/атом |
Сродство к электрону, кДж |
1 |
Фтор |
-3,45 |
-5,52 |
2 |
Хлор |
-3,61 |
-5,776 |
3 |
Бром |
-3,36 |
-5,376 |
Эксперимент 5. Изучение основных понятий, связанных с тем, как образуются химические связи между элементами.