Корпускулярно-волновые свойства частиц

Характеристика состояния электронов в атоме основана на положении квантовой механики о двойственной природе электрона, обладающего одновременно свойствами частицы и волны.

Впервые двойственная корпускулярно-волновая природа была установлена для света. Исследования ряда явлений (излучение раскаленных тел, фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями (квантами). Предположение о квантовании энергии впервые было высказано Максом Планком (1900 г.) и обосновано Альбертом Эйнштейном (1905 г.): энергия кванта (∆Е) зависит от частоты излучения (ν):

∆Е = hν, где h = 6,63·10^-34 Дж·с – постоянная Планка.

Приравнивая энергию фотона hν к полному запасу его энергии mс² и, учитывая, что ν=с/λ, получаем соотношение выражающее взаимосвязь волновых и корпускулярных свойств фотона:

(54)

В 1924 году Луи де Бройль предположил, что двойственная корпускулярно-волновая природа присуща не только излучению, но и любой материальной частице: каждой частице, имеющей массу(m) и движущейся со скоростью (υ) соответствует волновой процесс с длиной волны λ:

λ = h / m υ (55)

Чем меньше масса частицы, тем больше длина волны. Поэтому обнаружить волновые свойства у макрочастиц трудно.

В 1927 г. Американские ученые Девиссон и Джермер, англичанин Томсон и советский ученый Тартаковский независимо друг от друга обнаружили дифракцию электронов, что явилось экспериментальным подтверждением волновых свойств электронов. Позднее была открыта дифракция (интерференция) α-частиц, нейтронов, протонов, атомов и даже молекул. В настоящее время дифракция электронов используется для исследования строения вещества.

В волновых свойствах элементарных частиц заложен один из принципов волновой механики: принцип неопределенности (В. Гейзенберг 1925 г.): для малых тел атомного масштаба невозможно одновременно точно определить положение частицы в пространстве и ее скорость (импульс). Сем точнее определены координаты частицы, тем менее определенной становится ее скорость, и наоборот. Соотношение неопределенностей имеет вид:

( )(56)

где ∆х – неопределенность положения частицы, ∆Р_х – неопределенность величины импульса или скорости в направлении х. Аналогичные соотношения записываются и для координат y и z. Величина ℏ, входящая в соотношение неопределенности, очень мала, поэтому для макрочастиц неопределенности в значениях координат и импульсов ничтожны.

Следовательно, нельзя рассчитать траекторию движения электрона в поле ядра, можно лишь оценить вероятность его нахождения в атоме с помощью волновой функции ψ, которая заменяет классическое понятие траектории. Волновая функция ψ характеризует амплитуду волны в зависимости от координат электрона, а ее квадрат ψ² определяет пространственное распределение электрона в атоме. В наиболее простом варианте волновая функция зависит от трех пространственных координат и дает возможность определить вероятность нахождения электрона в атомном пространстве или его орбиталь. Таким образом, атомная орбиталь (АО) – область атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая.

Волновые функции получаются при решении основополагающего соотношения волновой механики – уравнения Шредингера (1926 г):

(57)

где h- постоянная Планка, - переменная величина, U – потенциальная энергия частицы, Е – полная энергия частицы, x, y,z, - координаты.

Таким образом, квантование энергии микросистемы вытекает непосредственно из решения волнового уравнения. Волновая функция полностью характеризует состояние электрона.

Волновая функция системы – это функция состояния системы, квадрат которой равен плотности вероятности нахождения электронов в каждой точке пространства. Она должна удовлетворять стандартным условиям: быть непрерывной, конечной, однозначной, обращаться в нуль там, где электрон отсутствует.

Точное решение получается для атома водорода или водородоподобных ионов, для многоэлектронных систем используются различные приближения. Поверхность, ограничивающая 90–95 % вероятности нахождения электрона или электронной плотности, называют граничной. Атомная орбиталь и плотность электронного облака имеют одинаковую граничную поверхность (форму) и одинаковую пространственную ориентацию. Атомные орбитали электрона, их энергия и направление в пространстве зависят от четырех параметров – квантовых чисел:главного, орбитального, магнитного и спинового. Первые три характеризуют движение электрона в пространстве, а четвертое – вокруг собственной оси.

Квантовое число n – главное. Оно определяет энергетический уровень электрона в атоме, удаленность уровня от ядра и размер электронного облака. Принимает целые значения от 1 до ∞ и соответствует номеру периода. Из периодической системы для любого элемента по номеру периода можно определить число энергетических уровней атома, и какой энергетический уровень является внешним. Чем больше n, тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. При n = 1 атом водорода находится в основном состоянии, при n> 1 – в возбужденном. Если n ∞, то электрон покинул атомный объем. Произошла ионизация атома.

Главное квантовое число	1	2	3	4	5	6	7
Обозначение энергетического уровня	K	L	M	N	O	P	Q

Например, элемент кадмий Cd расположен в пятом периоде, значит n=5. В его атоме электроны распределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5).

Так как электрон обладает наряду со свойствами волны и свойствами материальной частицы, то он, обладая массой m, скоростью движения V, и находясь на расстоянии от ядра r, обладает моментом количества движения: μ=mVr.

Момент количества движения – это вторая (после энергии) характеристика электрона и выражается через побочное (азимутальное, орбитальное) квантовое число.

Орбитальное квантовое число l - определяет форму электронного облака (рис. 7), энергию электрона на подуровне, количество энергетических подуровней. Принимает значения от 0 до n – 1. Кроме числовых значений l имеет буквенные обозначения. Электроны с одинаковым значением l образуют подуровень.

Орбитальное квантовое число l	0	1	2	3	4	…
Подуровень	s	p	d	f	g	…

В каждом квантовом уровне число подуровней строго ограничено и равно номеру слоя. Подуровни, как и энергетические уровни, нумеруются в порядке их удаления от ядра (табл. 26).

Таблица 26