2. Строение атома и периодический закон д.И.Менделеева
Ядерная модель атома была создана на основе экспериментальных данных по рассеянию α-частиц металлической фольгой (Э. Резерфорд, 1911). Однако эта модель не укладывалась в рамки классической физики, согласно законам которой вращающийся по орбите электрон должен терять энергию на электромагнитное излучение и в результате поглощаться ядром. Для устранения недостатков модели Н. Бор (1913) ввел в описание атома квантовую теорию излучения (М. Планк,1900) и представление о дискретных (меняющихся скачками) энергетических состояниях электрона в атоме. Теория Бора для атома водорода выражена в трех постулатах, согласно которым электрон может вращаться вокруг ядра только по дозволенным, или стационарным (определенного радиуса), орбитам и при этом его энергия остается постоянной. Поглощение кванта энергии hν (ν- частота колебаний, h- постоянная Планка, равная 6,62∙10-34 Дж∙с ) переводит электрон на более удаленную от ядра орбиту, и тот же квант излучается при его обратном перескоке. Главное квантовое число n, принимая целочисленные значения 1,2,3,……, определяет номер орбиты или, соответственно, энергетический уровень, на котором находится электрон. Н. Бором были вычислены радиусы стационарных орбит и скорость движения по ним электрона.
Теория Бора привела в согласие модель атома с его спектрами, объяснив их происхождение и структуру [1].
2.1. Этапы на пути создания квантовой механики
Принцип неопределенности утверждает принципиальную невозможность одновременного определения с одинаковой степенью точности импульса электрона (р=mv) и его положения в пространстве.
Математическая запись этого принципа называется соотношением неопределенности: ∆ рх ∆ х >h , где ∆ рх и ∆ х – соответственно погрешности в определении составляющей импульса частицы и значения её координаты по оси Х. Чем меньше одна из этих величин ∆ рх или ∆ х, тем, соответственно, больше другая.
Это приводит к тому, что траекторию электрона заменяет только вероятность нахождения его в данной области пространства.
Гипотеза Луи де Бройля о том, что микрочастицы, подобно свету имеют двойственную природу (частица-волна) , выражена уравнением, связывающим длину волны (λ) с массой частицы (m), со скоростью её движения (v):
Справедливость гипотезы была подтверждена экспериментально К.Дэвиссоном и Л. Джермером (1927), показавшими аналогию дифракционной картины, которую дают пучок электронов и рентгеновское излучение. Для макрочастиц увеличение массы приводит к тому, что волновой процесс при их движении практически отсутствует.
2.2. Элементы квантово-механической теории атома
Основное уравнение квантовой механики – волновое уравнение Шредингера (1926), решениями которого являются так называемые волновые функции φ (пси), характеризующие состояние электрона в атоме. Из математического анализа уравнения вытекает дискретность значений энергии электрона, момента количества его орбитального движения (в силовом поле ядра) и проекции этого момента на выделенное в пространстве направление. Дискретность выражается квантовыми числами: главным n, орбитальным ℓ и магнитным mℓ.
Четвертое квантовое число, которое называют спиновым, характеризует собственное движение электрона. Значения четырех квантовых чисел полностью определяют состояние электрона в атоме (табл.1).
Таблица 1