Квантово-механическая модель строения атома

В последующие годы постулаты Бора были переосмыслены и дополнены. Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом (табл. 1).

Таблица 1 Свойства элементарных частиц, образующих атом

Частица	Заряд		Масса
	Кл	Условн. ед.	г	а. е. м.
Электрон Протон Нейтрон	-1,6·10-19 1,6-10-19 0	-1 +1 0 0	9,1 ·10-28 1,67-10-24 1,67·10-24	0,00055 1,00728 1,00866

В основе современной теории строения атома лежат следующие положения:

1. Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он может вести себя и как частица, и как волна: подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время движущийся электрон проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона А, и его скорость v связаны соотношением де Бройля

2. Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот (принципа неопределенности (В. Гейзенберг, 1929 г.)).

3. Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться любой части около ядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью.

4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название - нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует массовому числу.

Последнее положение было сформулировано после того, как в 1920 г. Э. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик - нейтрон.

Различные виды атомов имеют общее название - нуклиды. Нуклиды достаточно характеризовать любыми двумя числами из трех фундаментальных параметров: А - массовое число, Z - заряд ядра, равный числу протонов, и N - число нейтронов в ядре. Эти параметры связаны между собой соотношениями:

Z=A - N, N=A - Z, A= Z+ N.

Нуклиды с одинаковыми Z, но разными А и N называются изотопами, нуклиды с одинаковыми А и различными Z и N - изобарами, t а нуклиды с одинаковыми N и различными Z и А - изотонами (таблица 2).

Таблица 2 Примеры изотопов, изобаров и изотонов среди природных нуклидов

Изотопы				Изобары				Изотоны
Нуклиды	Z	A	N	Нуклиды	Z	A	N	Нуклиды	Z	A	N
2010Nе еNe	10	20	10	18 40Ar	18	40	22	1416C	6	14	8
2110Nе	10	21	11	1940K	19	40	21	157N	7	15	8
22 Ne 10	10	22	12	2040 Ca	20	40	20	168O	8	16	8
234 U 92	92	234	142	90234Th	90	234	144	22888Ra	88	228	140
235 U 92	92	235	143	234 Рa 91	91	234	143	23090Th	90	230	140
238 U 92	92	238	146	234 U 92	92	234	142	23191Pa	91	231	140

Сформулированные выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, - квантовой механики. Наибольший вклад в развитие этой теории внесли Л. де Бройль (фр.), В. Гейзенберг (нем.), Э. Шредингер (австр.), П. Дирак (англ.).

Квантовая механика имеет сложный математический аппарат, поэтому важны лишь те следствия теории которые помогают разобраться в в вопросах строения атома и молекулы. С этой точки зрения важным следствием из квантовой механики является то, что нахождение электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами.

Квантовые числа электронов

Главное квантовое число n (характеризует энергетический уровень) определяет энергию электрона и степень его удаления от ядра; оно принимает любые целые численные значения, начиная с 1 (n=1, 2, 3). Энергетические уровни n обозначают буквами:

Значение n	1	2	3	4	5	6	7
Буквенное обозначение	К	L	М	N	О	Р	Q

Побочное (орбитальное или азимутальное) квантовое число m_l (характеризует энергетический подуровень) определяет форму атомной орбитали. Оно может принимать целые численные значения от 0 до n - 1 (l = О, 1, 2... n - 1). Обычно численные значения I (тип орбитали) принято обозначать буквенными символами:

Значение 1	0	1	2	3	4
Буквенное обозначение	s	p	d	f	g

Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы. При l = 0 атомная орбиталь независимо от значения главного квантового числа имеет сферическую форму (s-орбиталь). Значению l=1 соответствует атомная орбиталь, имеющая форму гантели (р-орбиталь). Еще более сложные формы, чем р-орбитали, имеют d-орбитали (l = 2, f-орбитали (l =3) и g-орбитали (l = 4).

Те электроны, которые находятся на s-орбитали, называются s-электронами, на р - р-электронами, на d - d-электронами и т. п.

Магнитное квантовое число т_l определяет положение атомной орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля. Магнитное квантовое число изменяется не произвольным образом, а скачком и связано с орбитальным квантовым числом, изменяясь от + l до - l, включая 0. Следовательно, каждому значению l соответствует 2l+1 значений магнитного квантового числа.

Например, если l = 0 (s-орбиталь), то m_l = 0. Электронное облако имеет шаровидную форму, т_l может принимать только одно значение (m _l =2l + 1 = 2 ·0 + 1 = 1),

следовательно, имея сферическую симметрию, электронное облако не обладает направленностью в пространстве.

При l = 1 (р-орбиталь), магнитное квантовое число m_l может принимать значение т_l = - 1, 0, + 1 ( m _l = = 2l +1=2·1 + 1=3). Следовательно, в пространстве р-орбиталь в магнитном поле может ориентироваться в трех различных положениях (рис. 9). Все три р-орбитали направлены вдоль осей пространственных координат, поэтому их часто обозначают как р_х-, р_у- и р₂-орбитали.

Р ис. 9 Форма и ориентация р-электронных орбиталей

При l=-2 (d-орбиталь) магнитное квантовое число может иметь значения т.. m_l= - 2, - 1,

0, + 1, + 2 (т, = 2l + 1 = 2·2 + 1 = 5) и т. д.

Спиновое квантовое число m_s (спин) может принимать лишь два возможных значения: + 1/2 и - 1/2. Они соответствуют двум возможным и противоположным друг другу направлениям собственного магнитного момента электрона. Схема распределения электронов по квантовым уровням представлена в таблице 2.3.