2. Строение вещества

2.1. Строение атома

Представление об атоме как мельчайшей неделимой частицы вещества было предложено еще в V веке до н. э. греческими философами Демокритом и Эпикуром. Э. Резерфорд в 1911 г. предложил планетарную модель атома, согласно которой 99,9 % массы атома и его положительный заряд сосредоточены в ядре, а электроны - отрицательно заряженные частицы – движутся вокруг ядра подобно планетам в Солнечной системе. Ее развил Н. Бор, модель которого базируется на следующих постулатах:

1) электрон в атоме может находиться только в стационарных состояниях с дискретными значениями энергии E_n, в которых атом не излучает. Для стационарных состояний момент количества движения электрона равен целому числу, кратному постояной Планка (h): , где n – номер стационарной орбиты.

2) при переходе из одного стационарного состояния в другое атом испускает или поглощает квант электромагнитного излучения с частотой

 = (E_n-E_m)/h.

Стационарные состояния представляют собой разрешенные орбиты, на которых может находиться электрон в атоме, вращаясь вокруг положительно заряженного ядра. Однако планетарная модель, основанная на законах классической механики, не могла описать движение электрона в атоме и устойчивость атомной систе­мы. Для описания строения атома были применены законы квантово-волновой механики, которым подчиняется микромир и которые сформулировали в 1920-е годы Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шредингер и П. Дирак. Электрону - присущи как свойства волны, так и свойства частицы (т. н. корпускулярно-волновой дуализм). Движение электрона в атоме описывается волновой функцией, которая может быть получена из решения уравнения Шредингера:

где: ²- дифференциальный оператор, представляющий собой сумму вторых частных производных по соответствующим координатам, m₀ - масса покоя электрона, E - полная энергия электрона, U - потенциальная энергия электрона.

Согласно теории Бора орбиты, на которых может находиться электрон, соответствуют дискретным значениям энергии, значит, волновые функции должны соответствовать разрешенным значениям энергии. Такие функции  (x,y,z) называются собственными и зависят от набора некоторых чисел n, L и m . Число n = 1,2,3,... получило название главного квантового числа и определяет общую энергию электрона. L - орбитальное квантовое число, принимающее значения 0, 1, 2, ... , (n-1), характеризует форму орбитали, m_l - магнитное квантовое число описывает направление орбитали в пространстве и принимает значения 0, 1, 2,..., L. Физический смысл волновой функции: ² определяет вероятность нахождения электрона в некоторой области пространства c координатами (dx,dy,dz).

Cобственный механический момент электрона, называемый спином описывает квантовое число s (спиновое число), которое может принимать лишь два значения: 1/2. В итоге собственная волновая функция электрона имеет следующий вид:

_nlms(x,y,z).

Разрешенные значения волновой функции получили название атомных орбиталей. Классификация орбиталей проведена в зависимости от значения орбитального числа L. Если L=0, то орбиталь называют s-орбиталью, L=1 - p-орбиталью, L=2 - d-орбиталью, L=3 - f-орбиталью, L=4 - g-орбиталью и т.д.

Атомная орбиталь характеризуется строго определенным набором из трех квантовых чисел n, L и m. Орбитали с одинаковыми значениями n и L объединяются в подуровень. Подуровни с одинаковым значением n объединяются в уровень.