Электронная оболочка атомов по Бору

 

Удачное объяснение строения атома предложил Нильс Бор. Он свёл воедино несколько установленных, но разобщенных фактов и теорий (линейчатую структуру атомных спектров, классическую механику, электростатику и новую идею М. Планка о квантовой энергии). Основываясь на положениях квантовой теории, Н. Бор сделал вывод, что энергия электронов в атоме не может изменяться непрерывно, а изменяется дискретно. В атоме возможны не любые энергетические состояния, а только определенные, разрешенные. Энергетические состояния электрона в атоме квантованы.   Основные положения теории Н. Бора сформулированы в виде постулатов (утверждение без доказательства):

1) электрон в атоме может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по определенным круговым, так называемым стационарным орбитам, на которых орбитальный момент количества движения (момент импульса электрона) mur = nh/2p, где m и u - масса и скорость электрона, r – радиус орбиты, n –  целое число натурального ряда, h – постоянная Планка (6,63∙10^-34 Дж∙с). Каждой стационарной орбите соответствует определённая энергия, поэтому говорят об энергетическом уровне электрона в атоме;

2) если электрон движется по стационарной орбите, то он не выделяет и не поглощает электромагнитной энергии. Он находится под действием двух сил: центростремительной, то есть кулоновской е²/r² и центробежной  mu²/r. Эти силы равны    e²/r² = mu²/r. Энергия электрона в атоме водорода зависит только от радиуса орбиты: чем меньше орбита, тем меньше его полная энергия. Орбиту электрона называют энергетическим уровнем.

Для атома водорода, если электрон находится на первой орбите, говорят о «нормальном состоянии атома». Под действием световых квантов (hν) электрон может перескочить на более высокие уровни. Электрон и атом при таких условиях называют «возбуждённым». В возбуждённом состоянии атом пребывает ничтожно малое время, он возвращается в свое исходное, устойчивое состояние, при этом происходит испускание кванта энергии. Величина этой энергии тем больше, чем больше разница между энергетическими уровнями;

3) излучение происходит при перескоке электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергии атома в конечном и исходном состояниях    

∆Е = Е₂ – Е₁ = hν.

Постулаты Н. Бора объяснили происхождение атомных спектров и стабильность атомов. Однако теория Н. Бора имела и ряд недостатков:

1) не пригодна  для объяснения строения сложных атомов начиная с гелия;

2) для атома водорода не могла объяснить тонкую структуру линейчатого спектра;

3) не могла предсказать поведение атома водорода в магнитном поле.

     Позднее модель Н. Бора была заменена моделью строения атома,  основанной на законах, описывающих движение микрообъекта.

Луи де Бройль (1892-1987)

Представления квантовой механики

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвигает предположение, что все виды материи обладают волновыми свойствами.  В общем случае де Бройль предложил заменить в уравнении mc = h/l скорость света (с) на скорость материальной частицы (u ): mu = h/l - импульс частицы mu  обратно пропорционален её длине волны. Согласно постулату де Бройля: любая движущаяся частица или предмет обладают волновыми свойствами с определенной длиной волны и частотой, связанной с их движением.

Одним из основных положений квантовой механики, объясняющим кажущуюся двойственную природу микрочастиц, является установленный в 1927 г. В. Гейзенбергом принцип неопределённости или соотношение неопределённостей, согласно которому: невозможно одновременно определить и скорость (или импульс Dр = mu), и положение микрочастицы (ее координаты Dх).

Вероятностное нахождение электрона в определенном положении в любой момент времени соответствует принципу неопределённости Гейзенберга, согласно которому положение и момент электрона не поддаются одновременному определению с абсолютной точностью. Поэтому, согласно современным представлениям, электроны, двигаясь в атоме, образуют так называемое электронное облако, а «орбиты движения электронов» (понятие, введенное Н. Бором) суть не что иное, как те места в пространстве, в которых чаще всего находятся электроны. Таким образом, каждый электрон находится не только на боровской орбите, а и в некотором объёме пространства. По современной терминологии обычно вместо термина «орбита», введенного Н. Бором в своей теории, чтобы отличить, какой теорией пользуются, применяют термин «орбиталь».

 Сформулированные выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, - квантовой механики (механику, применяемую к движению обычных тел и описываемую законами И. Ньютона, стали называть классической механикой). Наибольший вклад в развитие квантовой теории внесли француз  де Бройль, немец В. Гейзенберг, австриец Э. Шрёдингер, англичанин П. Дирак. Впоследствии каждый из этих ученых был удостоен Нобелевской премии.