4.5.6. Атом құрылысының қазіргі замандағы теориясы. Квант сандары

Кванттық механика

Атом құрылысының азіргі замандағы теориясы – кванттық механика. Кванттық механика атомдардың, молекулалардың, кристалдардың ішіндегі микробөлшектердің қозғалысын зерттейді. ХҚХ ғасырдың алғашқы жартысында материалды бөлшектің әрі бөлшек, әрі толқын екені дәлелденген. Жарықтың интерференциясы және дифракциясы зерттеліп, олардың электр магниттік толқындар екені дәлелденді және жарықтың фотон деп аталатын бөлшектердің ағыны екені анықталды. Столетов ашқан фотоэффект құбылысы жарықтың және рентген сәулесінің бөлшектік қасиетін дәлелдеді.

Де Бройль толқыны

1924 жылы француз ғалымы Луи де Бройль микробөлшектің әрі толқын, әрі бөлшек екенін дәлелдеп, формула шығарды:

- толқын ұзындығы, - Планк тұрақтысы, – бөлшектің массасы, - жылдамдығы.

Гейзенбергтің анықталмағыштық принципі

Гейзенберг микробөлшектің әрі координатасын, әрі импульсін бір уақытта анықтауға болмайтынын көрсетті. Анықталмағыштықтың математикалық формуласы:

- импульстің шамасының анықталмағыштығы;

- бөлшек координатасының анықталмағыштығы.

Сонымен Бор теориясы бойынша электронның стационар орбитада айналуы бекерге шықты, тек қана электронның ықтималды орнын білуге болады.

Шредингер теңдеуі

Электронның ықтималды орнын Шредингер теңдеуі арқылы табуға болады. 1926 жылы австриялы ғалым Шредингер ұсынған математикалық теңдеу электронның толқындық қасиетін сипаттады. Шредингердің пікірі бойынша, атом ж‰йесҢ жабық ж‰йе, сондықтан электрон қозғалысы тұйық толқынның қозғалысымен бірдей.

Егер тұйық толқынның математикалық теңдеуін қарастырсақ, ол жылдамдық пен уақытты қолданбайды. Ал егер тұйық толқынның теңдеуін атом системасына қолданса, ол теңдеу үш өлшемде болады, сондықтан Шредингер.

бір ғана х-пен шектелмей, теңдеуіне х, у, z-ті қолданды.

сонда

- толқындық функция

- Планк тұрақтысы

- электрон массасы.

Шредингер теңдеуінің шешімі болып табылатын толқындық функция - орбиталь деп аталады.

Орбитальды квант сандары арқылы сипаттауға болады.

Квант сандары

n - бас квант саны, орбитальдағы электронның энергиясын және орбитальдың көлемін көрсетеді, күрделі атомдарда электрон орналасқан қабаттың реттік нөмірін көрсетеді. n=1; 2; 3; 4; - бүтін сандар. Квант қабаты K, L, M, N, O, P, Q деп белгіленеді.

l - орбиталь квант саны, электрон бұлтының пішінін сипаттайды l=0, 1, 2, 3... n-1. l- дің бұл мәндеріне s, p, d, f деп белгіленетін орбиталь-дар сәйкес. s - шар тәріздес, p - гантель; d - күрделі гантель;

m - магнит квант саны - бұл сан орбиталды квант санына тәуелді, бір пішіндес орбитальдардың жалпы санын және олардың кеңістікте орналасуын көрсетеді.

m - атом орбитальдарының қай жаққа бейімделіп созылуының бағытын білдіреді, сондықтан (+) немесе (-) белгісі болады. Бұл үш квант саны Шредингер теңдеуінен шықты. Ал кейін спектрдегі сызық өте күшті магнит өрісінде екіге жіктелетіні анықталды. БҒл құбылыс электронның төртінші квант саны s- пен сипатталатын жағдайын көрсетті. m_s - спин квант саны. Мәні + 1/2 және -1/2; Электронның осінің айналасындағы қозғалысын сипаттайды. Квант сандары квант қабаттарындағы электрондардың санын және ықтималды орындарын сипаттайды.

Кесте құрайық:

2.1-кесте

n

1(K)

2 (L)

l

0

0

1

m

0

0

0

+1

-1

S

+1/2; -1/2

+1/2; -/2

+1/2; -1/2

+1/2; -/2

+1/2; -1/2

Орбиталь символдары

1s

2s

2pz

2px

2py

l-дің мәніне сәйкес элек-трондардың max. саны

2

2

6

n-нің мәніне сәйкес элек-трондар саны

2

8

n

3 (M)

l

0

1

2

m

0

0

+1

-1

0

+1

-1

+2

-2

ms

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

Орбиталь символ-дары

3s

3px

3py

3pz

3dz2

3dxz

3dyz

3dxу

3dx2-y2

l-дің мәніне сәйкес элек-трондар-дың max. саны

2

6

10

n-нің мәніне сәйкес элек-трондар-дың max. саны

18

Төртінші квант қабатында n=4; l=0,1,2,3. Ал магнит квант санының мәндері: 0; (1; ( 2; (3, демек орбитальдар 4f деп аталады. 4S, 4P, 4d орбитальдарында сәйкесінше 2, 6, 10 электрон, ал 4f орбитальда 14 электрон болады. Сонымен, 4-ші кванттық қабаттағы электрондардың максимал саны 2n² формуласы бойынша 32-ге тең.

Дәл осылай бесінші, алтыншы, жетінші квант қабаттарындағы электрондардың max саны анықталады. Бірақ жалпы химия деңгейінде 4f деген орбитальдан әрі қарай қарастырылмайды.

Сонымен квант қабаттарындағы электрондар саны 2n² деген формуламен анықталады.

S- орбитальда электрондардың мүмкін болатын максимал саны 2-ге тең.

Үш Р-орбитальда - 6-ға тең

Бес d - орбитальда - 10-ға тең