1.1. Строение атома

Атом – наименьшая частица химического элемента, обладающая всеми его физическими и химическими свойствами. Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, движущихся в электрическом поле ядра.

Размер атома ≈ 10^-10 м

Электрон – наименьшая из известных элементарных частиц, обладающая отрицательным элементарным (наименьшим из известных) зарядом, величина которого принимается в физике равной -1.

Ядро атома – обычно сферической формы и несет в себе положительный заряд, величина которого равна порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

Диаметр ядра ≈ 10^-15 м

Заряд ядра оценивается в положительных элементарных зарядах, равных по модулю заряду электрона, т.е. имеющих величину +1.

Количество электронов у нейтрального атома равно величине заряда ядра.

Движение электронов вокруг ядра осуществляется по замкнутым траекториям, называемым орбитами (орбиталями), на которых они удерживаются силами электрического притяжения, возникающими между разноименно заряженными частицами - положительно заряженным ядром и отрицательными электронами.

Понятие «обита» является условным, так как вследствие волновой природы электронов (λ = h / p = h / (mv) по Луи де Бройлю) они представляются в виде заряженных «облаков», плотность вероятности которых (I=|Ψ|², где Ψ(x, y, z, t) - волновая функция Шредингера) максимальна на расстоянии r от ядра, называемом радиусом «орбиты».

Положение и состояние каждого электрона в атоме относительно его ядра характеризуется определенными величинами, называемыми квантовыми числами электрона, что выражается в ПРИНЦИПЕ ПАУЛИ, звучащем в н.в. примерно так:

«В атоме каждый электрон обладает своим набором квантовых чисел, таких как:

n – главное квантовое число,

ℓ – орбитальное квантовое число,

m – магнитное орбитальное квантовое число,

m_s – спиновое квантовое число, –

отличным от набора этих квантовых чисел для любого другого электрона атома.»

Несколько слов об этих квантовых числах электрона.

Главное квантовое число n – определяет энергетический уровень электронов (номер электронной оболочки), в которой они находятся относительно ядра атома.

n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 – т.е. максимальное количество энергетических уровней и электронных оболочек (слоев) у самых тяжелых атомов равно 7, причем их количество у любого атома равняется, как минимум, номеру периода, в котором данный атом находится в таблице Менделеева, а максимальное количество электронов в одной оболочке(слое) = 2n².

У атома водорода в нормальном энергетическом состоянии электрон находится на первом уровне n = 1, т.е. ближайшем к ядру, где обладает наименьшей по величине, но наибольшей по модулю энергией E₁= -13,6 эВ, называемой энергией связи.

Наименьшей энергией по величине будет обладать электрон, если его удалить от ядра, т.е. ионизировать атом, тогда E_∞ = 0, при этом данному электрону для этого нужно будет сообщить энергию ионизации E _i = 13,6 эВ, то есть равную по модулю энергии связи E₁.

Для перехода электрона на более низкие энергетические уровни n=2, …, n=7 ему требуется сообщить несколько меньшие энергии. Таким образом, переход атома в возбужденные состояния сопровождается поглощением кванта энергии.

Возвращение электрона из возбужденных состояний на более низкие энергетические уровни (вплоть до нормального) сопровождается испусканием атомом строго определенной порции (кванта) энергии.

Энергетическое состояние атома принято изображать диаграммой энергетических уровней, например, для простейшего атома - водорода это выглядит так:

.

E, эВ

0 n = ∞, свободный электрон

- 0,28 n = 7

- 0,38 n = 6

Квант инфракрасной области

Серия Пфунда (m = 6,7 и n =5)

- 0,54 n = 5

Квант инфракрасной области

Серия Бреккетта (m = 5,6,7 и n=4)

- 0,85 n = 4

Квант инфракрасной области

Серия Пашена (m = 4,5,6,7 и n=3)

- 1,50 n = 3

Квант видимой области

Серия Бальмера (m=3,4,5,6,7 и n=2)

- 3,38 n = 2

Квант ултрафиолетовой области

E _mn = hν _mn = E _m – E _n – энергия квантов перехода

Серия Лаймана (m=2,3,4,5,6 и n=1)

-13,6 n = 1, нормальный уровень

Рис. 2. Диаграмма энергетических уровней атома водорода (без соблюдения масштаба)

Энергия квантов перехода электрона равна разности между начальным E _m и конечным E _n энергетическими уровнями электрона:

E _mn = hν _mn = E _m – E _n, где:

постоянная Планка h = 6,626 · 10 ^-34 Дж · сек = 4,134 · 10 ^-15 эВ · сек,

частота излучения кванта ν _mn = (E _m – E _n) / h.

В сложных атомах переход электронов на орбитах, далеких от ядра (на внешних энергетических уровнях), сопровождается испусканием квантов небольших энергий, соответствующих видимому свету, а переход электронов на энергетические уровни, близкие к ядру – приводит к испусканию квантов больших энергий, соответствующих рентгеновскому излучению.

Если принять, что электронные оболочки имеют сферическую форму, то схему атома можно изобразить так:

и т.д. до 7

n=3, R₃=9r, E₃= E₁ /9 =-1, 5 эВ

n=2, R₂ = 4r, E₂= E₁ /4 =-3, 4 эВ

n =1, R₁= r, E₁= -13, 53 эВ

r = 0,529 ·10 ^{- 8} м – радиус первой боровской орбиты в атоме

водорода.

Рис. 3 . Схема атома по Бору

Постулаты Бора:

1. Постулат – стационарных состояний: существуют некоторые стационарные состояния атома, в которых он не излучает энергии, так как все электроны находятся на стационарных орбитах.

2. Постулат – Правило квантования орбит: в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие условию:

m_ev_nr_n = = n ћ, где . ћ = – элементарный момент импульса (кол-ва движения)

3. Постулат – Правило частот Бора: атом излучает (поглощает) квант ЭМ-энергии, когда электрон переходит с орбиты с большим (меньшим) n на орбиту с меньшим (большим) n.

E _mn = hν _mn = E _m – E _n – энергия квантов перехода

Орбитальное квантовое число ℓ = – определяет формы траекторий электронов (форму электронного «облака») на энергетических уровнях и энергию взаимодействия электрона, приводящую к прецессии орбиты с ℓ > 0:

n = 1 n = 2

a

● ●

F

b

ℓ = 0 ℓ = 1 ℓ = 0

n = 3 n = 4

ℓ = 3

● ●

ℓ = 2

ℓ = 2

ℓ = 1 ℓ = 0 ℓ = 1 ℓ = 0

Рис. 4. Вид «орбит» электронов на различных энергетических уровнях.

При ℓ = 0 «орбита» имеет форму окружности («облако» из данных электронов – сфера), а при ℓ > 0 – форму эллипса, все более вытянутого, чем больше ℓ, при этом, ядро атома находится в одном из фокусов эллипса.

На каждом энергетическом уровне, определяемым главным квантовым числом n, имеется k≤4 орбитальных квантовых чисел, т.е. электронная оболочка состоит из k электронных подоболочек (подслоев), имеющих различную форму в зависимости от своих ℓ, при этом:

- электронные подоболочки (подслои, подгруппы) обозначаются малыми латинскими буквами s, p, d, f, g и максимальное количество электронов, которое может находиться в одной подоболочке (подслое, подгруппе) равняется 2 (2ℓ +1).

- n определяет большую полуось орбиты и энергию электрона на неподвижном эллипсе, а ℓ - отношение полуосей a / b эллиптической орбиты и энергию взаимодействия, приводящего к прецессии орбиты ℓ в ее плоскости:

Прецессия эллипсообразной орбиты возникает вследствие того, что у электрона, имеющего очень высокую скорость, масса на расстояниях близких к ядру будет возрастать одновременно с увеличением его скорости, а при удалении от ядра – уменьшаться.

Кроме того, в сложных атомах электрон будет взаимодействовать с другими электронами атома.

Т.о., чем более вытянут эллипс траектории электрона, тем больше будет угловая скорость ее прецессии (вращения) вокруг ядра атома.

Рис. 5. Прецессия орбиты ℓ электрона в ее плоскости

Вывод: При переходах электронов с одной орбитали на другие, имеющие одно n , но другие орбитальные квантовые числа ℓ также происходит излучение (поглощение) кванта ЭМ-энергии, но меньшего, чем при переходе с одного электронного слоя n на другой.

Магнитное орбитальное квантовое число m = - ℓ, …, -1, 0, +1, …, +ℓ – определяет изменения энергетического состояния электрона при воздействии на него внешнего магнитного поля.

Под воздействием этого поля орбита электрона относительно ядра атома может несколько изменить свое положение, например, для электронов, находящихся в подоболочках 1s, 2p и 3d, это выглядит так:

m = 2, E₂ + 2ΔE₂

m = 1, E₂ + ΔE₂

3d m = 0, E₂ n=3, ℓ =2

m = - 1, E₂ - ΔE₂

m = -2, E₂ - 2ΔE₂

m = 1, E₂ + ΔE₂

2p m = 0, E₂ n=2, ℓ =1

m = - 1, E₂ - ΔE₂

1s m = 0, E₁, т.е. расщепления нет, так как n=1, ℓ = 0

Ядро атома

Рис. 6. Расщепление энергетических уровней электронов в магнитном поле

Спиновое квантовое число m_s – обуславливает расхождение в энергетических уровнях электронов, имеющих различные спины (собственные угловые моменты, обусловленные их вращением вокруг своей оси: спин J = m_s ћ ).

При включении внешнего магнитного поля уровни энергии, соответствующие двум направлениям спина, разойдутся на величину, равную eћB/(mc), где

e, m – заряд и масса электрона, ћ=h/(2π), c – скорость света.

Обобщим данные о свойствах электронов в следующей таблице:

Таблица 1