18.Двойственная природа электрона в атоме, уравнение Де-Бройля, понятие электронная орбиталь.

Двойственность свойств электрона проявляется в том, что он, с одной стороны, обладает свойствами частицы (имеет определенную массу покоя), а с другой - его движение напоминает волну и может быть описано определенной амплитудой, длиной волны, частотой колебаний и др. Поэтому нельзя говорить о какой-либо определенной траектории движения электрона - можно лишь судить о той или иной степени вероятности его нахождения в данной точке пространства.

Следовательно, под электронной орбитой следует понимать не определенную линию перемещения электрона, а некоторую часть пространства вокруг ядра, в пределах которого вероятность пребывания электрона наибольшая. Иными словами электронная орбита не характеризует последовательность перемещения электрона от точки к точке, а определяется вероятностью нахождения электрона на определенном расстоянии от ядра.

Уравнение Де-Бройля:В 1924 году французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что установленный ранее для фотонов корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам — электронам, протонам, атомам и так далее, причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и для фотонов. Таким образом, если частица имеет энергию   и импульс, абсолютное значение которого равно  , то с ней связана волна, частота которой   и длина волны  , где   — постоянная Планка. Эти волны и получили название волн де Бройля.

Атомная орбиталь — одноэлектронная волновая функция, полученная решением уравнения Шрёдингера для данного атома, задается главным n, орбитальным l и магнитным m квантовыми числами.

Волновая функция рассчитывается по волновому уравнению Шрёдингера в рамках одноэлектронного приближения (метод Хартри — Фока) как волновая функция электрона, находящегося в самосогласованном поле, создаваемым ядром атома со всеми остальными электронами атома.

Сам Э.Шрёдингер рассматривал электрон в атоме как отрицательно заряженное облако, плотность которого пропорциональна квадрату значения волновой функции в соответствующей точке атома. В таком виде понятие электронного облака было воспринято и в теоретической химии.

Название «орбиталь» (а не орбита) отражает геометрическое представление о стационарных состояниях электрона в атоме; такое особое название отражает тот факт, что состояния электрона в атоме описывается законами квантовой механики и отличается от классического движения по траектории. Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n составляют одну электронную оболочку.

Перед тем, как обсуждать формы орбиталей, мы должны вспомнить определение понятия «орбиталь». Итак, орбиталь – это некоторый объем пространства, где вероятность нахождения электрона составляет не менее 90%.Чтобы более «материально» воспринимать понятие орбитали представим пространственные макеты орбиталей для s-, p- и d-подуровней:

Как видно из этих рисунков каждая конкретная орбиталь имеет свое положение в пространстве. Для р-орбиталей нижний индекс означает, по какой оси локализована орбиталь. Например, орбиталь рх означает локализацию данной орбитали вдоль оси Ох.

Для d-орбиталей индексы означают плоскость, в которой лежит орбиталь. Обратите внимание, что d_x2 - и d_x2_-y2 - орбитали локализованы вдоль координатных осей. На данном этапе изучения строения атома мы не будем углубляться в различия цвета различных частей орбиталей. К этому придется частично вернуться лишь при обсуждении химической связи в следующих уроках.

Попытайтесь решить две предлагаемые задачи. Ответы на них будут даны в материалах следующего занятия.

Гибридизация орбиталей — процесс смешения разных, но близких по энергии орбиталей данного атома, с возникновением того же числа новых гибридных орбиталей, одинаковых по энергии и форме. Гибридизация атомных орбиталей происходит при возникновении ковалентной связи между атомами.