Атом с локальной точки зрения

Вторая точка зрения на атом — локальная. В этом случае мы "смотрим на атом изнутри" и видим входящие в его состав отдельные частицы, взаимодействия между ними, а также характер механического движения. В этом случае можно говорить овнутреннем строении атома. С такой точки зрения центральной проблемой является установление связей между глобальными свойствами атома и его строением. При решении этой проблемы приходится выделять два принципиально разных случая: описание строения 1)одноэлектронныхи 2)многоэлектроныхатомных структур.

Одноэлектронные атомные структуры (ОЭА) — малочисленная группа объектов, включающая атом водорода и несколько атомных ионов, электронная оболочка которых содержит только один электрон (He⁺, Li²⁺, Be³⁺и др.). Все ОЭА могут быть описаны единообразно. Единственное различие между ними сводится к величине зарядового числа атомного ядраZ, которое входит в качестве параметра в получаемые уравнения и формулы. Поэтому в дальнейшем речь будет идти только об атоме водорода.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение понятию "атом". Чем отличаются значения этого понятия в химии и физике? Какие атомы являются объектом изучения в квантовой химии?

2. В чем различие между локальным и глобальным описанием атома?

3. Какие характеристики используются при построении глобального описаний атома?

4. Какими средствами можно экспериментально определить глобальную энергию атома? В каких единицах измеряется эта энергия? Каков порядок величины атомных термов?

5. В чем причина расщепления атомных термов при наложении электрических и магнитных полей?

6. Какие типы механических моментов используются для описания атомов? В чем различие между ними?

7. Какова связь между механическими и магнитными моментами атома?

1.2. Атом водорода

Атом водорода является простейшей реальной структурой, представляющей интерес для химии. Задача описания этого атома играет в квантовой химии фундаментальную роль по ряду причин. Во-первых, волновые функции стационарных состояний атома водорода можно использовать в качестве базисного набора для построения и анализа волновых функций более сложных систем — многоэлектронных атомов и молекул. Во-вторых, для атома водорода, в отличие от многоэлектронных атомов и молекул, можно установить аналитический вид волновых функций. Эта особенность атома водорода обусловлена тем, что в его составе имеется всего один электрон и, следовательно, межэлектронные взаимодействия отсутствуют.

Атом водорода состоит всего из двух частиц — электрона и ядра (роль ядра выполняет протон, для которогоZ = 1); они характеризуются несколькими неизменными параметрами:массами(m₁иm₂),электрическими зарядами(q₁ = –еиq₂ = +е),спиновыми моментами(s₁ = 1/2, s₂ =1/2). Взаимодействия, определяющие характер движения частиц в атоме водорода, весьма разнообразны. За счет наличия противоположных по знаку электрических зарядов, между протоном и электроном действуюткулоновскиесилы притяжения, зависящие от расстояния между электроном и ядром. Кроме того, имеют местомагнитныесилы, обусловленные, с одной стороны, относительным движением заряженных частиц, а, с другой стороны, наличием у электрона и ядра спиновых магнитных моментов. Поскольку для атома водорода кулоновские силы значительно интенсивнее (примерно на два порядка) магнитных, в этом случае можно ограничиться построением сравнительно простойнерелятивистской модели, когда всеми разновидностями магнитных взаимодействий полностью пренебрегают.

В такой нерелятивистской модели движение электрона и ядра можно разделить на два независимых типа — внешнееивнутреннее. Внешнее движение сводится к перемещениям обеих частиц как материальных точек в некоторой лабораторной системе координат. Внутреннее движение и электрона, и ядра характеризуется наличием у них собственных механических спиновых моментов и связанных с ними магнитных моментов. Для начала ограничимся рассмотрением только внешних (пространственных) движений частиц, входящих в состав атома водорода — электрона и протона, без учета их спиновых состояний.