1. Корпускулярно-волновая природа электрона. Уравнение длины волны де Бройля и принцип неопределенности Гейзенберга. Физический смысл уравнения Шредингера. Что является его решением? В 1924 г. французский физик Луи де Бройль предположил, что двойственной

природой (корпускулярно-волновой) обладают не только фотоны-частицы света, но и электроны. Он исходил из следующего. Так как оба уравнения E=mc², (2.2) – уравнение Эйнштейна, связывающее массу и энергию фотона, E=hν, (2.3) – уравнение Планка, связывающее энергию фотона и частоту излучения, относятся к одному и тому же объекту, то их можно приравнять. Тогда mc²= hν (2.4) Для фотона р=mc и уравнение (2.4) перепишем в виде

Или

Поскольку для любого волнового процесса частота , длина волны и скорость распространения волны связаны соотношением

откуда

В частном случае для фотона . Тогда из (2.5) и (2.6) получим

– длина волны электрона или длина волны де Бройля. Открытие волновых свойств микрочастиц означало, что законы движения в микромире принципиально отличаются от привычных законов классической механики. Корпускулярно-волновая природа электрона, которая следует из уравнения Луи де Бройля (2.8) свидетельствует о том, что на ряду со свойствами частицы (масса покоя, траектория и направление движения и др.) микрочастицы обладают и свойствами электромагнитного поля. В связи с этим частица с различной вероятностью, но одновременно может быть обнаружена в любой точке пространства, где происходит движение рассматриваемой волны.

Новое представление об электроне заставило физиков отказаться от принятой модели атома, в которой электрон движется по определённым траекториям или орбитам. Поскольку электрон, обладая свойствами электромагнитной волны, движется по всему атомному объему, образуя электронное облако, плотность которого в той или иной части занимаемого пространства не одинакова, то оно получило название атомной орбитали.

Двойственную природу электрона и других элементарных частиц удалось объяснить немецкому физику В. Гейзенбергу с помощью принципа неопределённости: невозможно в любой данный момент времени определить сколь угодно точно и положение частицы в пространстве, и её скорость (импульс). Это обусловлено тем, что измерения проводятся каким-либо прибором, который фиксирует взаимодействие электрона с носителем этой информации, например, фотоном или другой частицей. Следовательно, неминуемо происходит взаимодействие этих частиц, хотя бы посредством их электромагнитных полей, а это приводит к тому, что существенно изменяется или положение электрона, или его скорость и её направление. Новый раздел физики и химии, который изучает явления, происходящие в микромире, получил название квантовой или волновой механики. Основой её служит уравнение Э. Шредингера, учитывающее не только все взаимодействия электронно-ядерных систем, но и волновые свойства электронов. Однако точное решение удалось получить только для атома водорода или водородоподобных ионов, для многоэлектронных систем необходимо использовать различные приближения. Таким образом, для полной характеристики электрона в атоме оказалось достаточным иметь

четыре параметра – квантовые числа, три из которых характеризуют пространственное распределение электрона в атомной орбитали, и вытекают из решения уравнения Шредингера.

2. Развитие современных представлений о строении атома: эксперименты Томсона и Резерфорда. Модель атома н. Бора. Постулаты Бора. Достоинства и недостатки этой модели.

Изучая закономерности прохождения лучей через золотую фольгу, английский ученый Резерфорд в 1911 г. установил: атом представляет собой сложную систему, состоящую из положительно заряженного ядра, в котором и сосредоточена основная масса (99,97%), и движущихся вокруг него отрицательно заряженных частиц – электронов. Это так называемая ядерная или планетарная модель атома. При всех химических превращениях ядра атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ, не изменяются. Изменения при этом претерпевают только электронные оболочки. Таким образом, химическая энергия связана только с энергией электронов. Исходя из теории квантов, датский физик Н. Бор в 1913 г. теоретически обосновал новую модель атома, в основе которой лежали два постулата:

1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по строго определённым (стационарным) орбитам, не излучая и не поглощая при этом энергию. 2. Поглощение или излучение энергии происходит только при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. Смысл этого постулата состоит в том, что при поглощении кванта энергии происходит перескок электрона на более удалённую орбиту, и атом переходит в возбуждённое состояние. Энергия его связи с ядром уменьшается. Если же энергия излучается, то электрон переходит на более близкую к ядру орбиту. Таким образом, второй постулат объясняет дискретность спектров паров и газов. Теория Бора строго применима только к одному наиболее простому атому – атому водорода, для которого были вычислены не только «дозволенные» орбиты для электрона, но и радиусы этих орбит, орбитальные скорости электрона, потенциальная, кинетическая и полная энергии электрона на этих орбитах. Однако свойства многоэлектронных атомов не объяснялись с позиций этой теории, поэтому требовалось дальнейшее её совершенствование.

3. Квантовые числа: что они характеризуют и какие принимают значения.

1. Главное квантовое число n характеризует:

- число энергетических уровней в атоме;

- энергию электрона на данном энергетическом уровне;

- размер атома.

В общем случае n принимает значения от 1 до . В невозбуждённых атомах, т.е. таких, состояние которых соответствует их расположению в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, n изменяется от 1 до 7 в соответствии с числом периодов в периодической системе. Чем меньше n , тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. Например, при n=1 атом водорода находится в основном состоянии, при n 1 – в возбуждённом. 2. Орбитальное или побочное квантовое число l характеризует:

– Энергию электрона на энергетическом подуровне.

На уровне может находиться много электронов (максимально 32), но не все они обладают одинаковой энергией. В результате взаимного отталкивания электронов происходит расщепление энергетического уровня на подуровни (рисунок ).

Те электроны, которые принадлежат одному и тому же подуровню, т.е. электроны с одинаковыми значениями l , обладают одинаковой энергией. Такое состояние называют вырожденным по энергии. l принимает значения от 0 до n-1, но это правило справедливо для невозбуждённых атомов для n 4. Кроме числовых значений, l имеет и буквенные обозначения:

т.е. число энергетических подуровней в пределах данного энергетического уровня;

- Форму атомных орбиталей.

3. Магнитное квантовое число m_i определяет:

- ориентацию атомных орбиталей в пространстве;

- число атомных орбиталей на энергетическом подуровне.

m_l принимает целые значения от -l через 0 до +l , т.е. 2 l+1 значений. Например, рассмотрим p-подуровень, для него l=1, m_l=-1, 0,+1 – всего 3 значения. Следовательно, число 3 означает, что на данном энергетическом подуровне находится три атомных орбитали, различным образом ориентированных в пространстве.

4. Спиновое квантовое число m_s (от английского spin – вращение) упрощено можно представить как описывающее вращение электрона вокруг собственной оси по часовой стрелке и против, поэтому оно имеет только два значения m_s= 1/ 2, представляющие собой две проекции углового момента электрона на выделенную ось. Для изображения атомной орбитали и электронов часто используют «квадратики» и «стрелки», направленные вверх или вниз. Два электрона с одинаковыми значениями квантовых чисел n, l, m_l , но с противоположно направленными спинами, называются спаренными или неподелённой электронной парой и обозначаются, неспаренные электроны – или. Итак, четыре квантовые числа описывают состояние электрона в атоме и характеризуют энергию электрона, его спин, форму электронного облака и его ориентацию в пространстве. При переходе атома из одного состояния в другое происходит перестройка электронного облака, то есть изменяются значения квантовых чисел, что сопровождается поглощением или испусканием атомом квантов энергии.