1.1 Введение

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил ядерную модель атома. Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. Носителем положительного заряда ядра является протон. В состав ядер атомов также входят нейтроны – элементарные частицы, не имеющие электрического заряда. Число электронов равно заряду ядра, так что атом в целом электронейтрален. Размеры атома равны приблизительно 10^–8 см, размеры ядра – около 10^–13 – 10^–12 см. Несмотря на то, что ядро по размеру в десятки тысяч раз меньше всего атома, преобладающая часть массы атома сосредоточена именно в ядре.

Согласно законам электродинамики, вращающийся вокруг ядра электрон должен был бы непрерывно излучать энергию и, в конце концов, упасть на ядро, чего в действительности не происходит. Эти противоречия модели атома по Резерфорду устранил датский физик Нильс Бор (1913 г).

Ещё до Резерфорда, в 1900 году, немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу о том, что энергия волнового движения квантуется, т.е. свет излучается и поглощается не непрерывно, а дискретно, т.е. определёнными порциями – квантами. Энергия каждого кванта связана с частотой излучения ν следующей формулой: E = hν, где h – постоянная Планка (6,63710^–34 Джс).

Основываясь на положении квантовой теории о дискретной природе излучения, Нильс Бор сделал вывод о том, что энергия электронов в атоме не может быть произвольной; она изменяется скачками, т.е. дискретно. Поэтому электрон в атоме может принимать не любые значения энергии, а строго определённые. Иначе говоря, энергия электрона в атоме квантована. Таким образом, в атоме возможны не любые энергетические состояния электронов, а лишь определённые, так называемые разрешённые состояния. Переход электрона из одного разрешённого состояния в другое совершается скачкообразно и сопровождается испусканием или поглощением кванта электромагнитного излучения.

1.2 Постулаты теории Бора

1. Электрон в атоме может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по строго определённым орбитам, которые называются стационарными.

2. Двигаясь по стационарным орбитам, электрон не излучает энергии.

3. Излучение света происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты (с более высокой энергией) на другую (с более низкой энергией). При обратном переходе происходит поглощение энергии.

Несмотря на то, что применение теории Бора для расчёта спектров простейшего атома – атома водорода – дало блестящие результаты, теория Бора была внутренне противоречивой, и её не удалось успешно применить к более сложным атомам. Дальнейшее развитие теории строения атома связано с развитием квантовой механики.

1.3 Квантовомеханическое описание состояния электрона в атоме

1.3.1 Элементарные представления о квантовой механике

Как известно, свет проявляет свойства как потока частиц, так и электромагнитной волны, т.е. фотоны обладают корпускулярно-волновой двойственностью. Создание квантовой механики произошло на пути обобщения представлений о корпускулярно-волновой двойственности фотона на все объекты микромира и, прежде всего, на электроны. Электрон – это не только частица, он ещё обладает и волновыми свойствами.

В

Рисунок 1.1 – Схематическое изображение электронного облака

связи с тем, что частицы микромира, в том числе и электрон, отличны по своим свойствам от макроскопических тел, то для описания микрочастиц нужны совсем другие представления, отличные от представлений о законах макромира. Если для описания состояния частицы в макромире необходимо знать координаты частицы и её скорость (или импульс), то в микромире нельзя одновременно определить и координаты микрочастицы и её импульс (принцип неопределённости Гейзенберга). Для характеристики состояния электрона используется волновая функция . Смысл волновой функции заключается в том, что вероятность обнаружения электрона в некотором объёме пространства V выражается произведением ²V. Таким образом, квадрат волновой функции ² выражает плотность вероятности нахождения электрона в соответствующей области пространства. Электрон можно представить себе в виде облака, распределённого по всему объёму атома. Чем больше ² в данной точке пространства, тем больше плотность электронного облака (на рисунке 1.1 это показано большей плотностью точек), и тем более вероятно нахождение электрона именно в данной точке пространства.

Применение законов квантовой механики к описанию состояния электрона в атоме показывает, что состояние электрона можно описать с помощью четырёх квантовых чисел: главного, орбитального, магнитного и спинового.