2. Соотношение де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм. Волновая функция электрона. Атомная орбиталь.

Для частиц не очень высокой энергии, движущихся со скоростью (скорости света), импульс равен (где m- масса частицы), и . Следовательно, длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса частицы и её скорость. Например, частице с массой в 1 г, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля с м, что лежит за пределами доступной наблюдению области. Поэтому волновые свойства несущественны в механике макроскопических тел. Для электронов же с энергиями от 1 эВ до 10 000 эВ длина волны де Бройля лежит в пределах от ~ 1 нм до 10-2 нм, то есть в интервале длин волн рентгеновского излучения. Поэтому волновые свойства электронов должны проявляться, например, при их рассеянии на тех же кристаллах, на которых наблюдается дифракция рентгеновских лучей. Корпускулярно-волновой дуализм — теория в квантовой механике, гласящая, что в зависимости от системы отсчета поток электромагнитного излучения можно рассматривать и как поток частиц (корпускул), и как волну. В частности, свет — это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон). Атомная орбиталь — одноэлектронная волновая функция в сферически симметричном электрическом поле атомного ядра, задающаяся главным n, орбитальным l и магнитным m квантовыми числами. Название «орбиталь» (а не орбита) отражает геометрическое представление о движении электрона в атоме; такое особое название отражает тот факт, что движение 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.

3. Квантовые числа и их физический смысл. Электронное облако

Для характеристики поведения электрона в атоме введены квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное, спиновое.Главное квантовое число определяет размеры и энергию электронных орбиталей. Главное квантовое число принимает значения от 1,2,3,4,5, … и характеризует оболочку и энергетический уровень. Чем больше квантовое число тем больше энергия. Орбитальное квантовое число определяет форму атомной орбитали. Электронные оболочки расщеплены на под оболочки и поэтому орбитальное квантовое число также характеризует энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальные квантовых числа принимают целые значения. Магнитное квантовое число характеризует ориентацию орбитали в пространстве. В отсутствие внешнего магнитного поля все орбитали одного подуровня имеют одинаковое значение энергии. Магнитное квантовое число принимает все целые значения от – до + включая ноль. Каждый электрон также характеризуется собственным механическим моментом движения, который получил название спина. Спиновое квантовое число имеет только два значения -0,5 и +0,5. Положительные и отрицательные значения спины связанно с его направлением. Электроны с разними спинами обычно обозначаются противоположно направленными стрелками. Электронная конфигурация — формула расположения электронов по различным электронным оболочкам атома химического элемента или молекулы. По историческим причинам в формуле электронной конфигурации квантовое число l записывается латинской буквой. Состояние с l = 0 обозначается буквой s, l = 1 — p, l = 2 — d, l = 3 — f, l = 4 — g и далее по алфавиту. Слева от числа l пишут число n, а сверху от числа l — число электронов в состоянии с данным n, l. Например 2s2 соответствует двум электронам в состоянии с n = 2, l = 0. Из-за практического удобства в полной формуле электронной конфигурации термы пишут в порядке возрастания квантового числа n, а затем квантового числа l, например 1s22s22p63s23p2. Поскольку такая запись несколько избыточна, иногда формулу сокращают до 1s22s2p63s2p2, т. е. опускают число n там, где его можно угадать из правила упорядочения термов.