Квантовая механика. Атом – сложная устойчивая микросистема элементарных частиц, состоящая из положительно заряженного ядра и электронов

Состав атома

Атом – сложная устойчивая микросистема элементарных частиц, состоящая из положительно заряженного ядра и электронов, движущихся в околоядерном пространстве.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно атомному номеру элемента (порядковому номеру в периодической системе) и числу электронов в атоме. Заряд протона по абсолютной величине равен, а по знаку противоположен заряду электрона, поэтому атом в целом электронейтрален. Протоны и нейтроны в ядрах атомов связаны сильным внутриядерным взаимодействием. При химических реакциях ядро атома остается неизменным, изменения происходят лишь в составе и строении электронной оболочки атомов. Поэтому в химии основное внимание уделяется строению их электронных оболочек.

До начала 20-го столетия состав и строение атома не были известны, атом рассматривался как мельчайшая неделимая частица. Но во второй половине 19-го столетия были сделаны открытия, которые свидетельствовали о сложном строении атомов: спектральный анализ (Кирхгоф, 1859), периодический закон (Менделеев, 1869), фотоэффект (Столетов, 1888), катодные лучи (Перрен, 1895), рентгеновское излучение (Рентген, 1895), радиоактивность (Беккерель, 1896), открытие электрона (Томпсон, 1897) и др. В начале 20-го века появились первые теории (модели) атома. Резерфорд (1911) экспериментально обнаружил в атомах положительно заряженное ядро и предложил планетарную модель атома, а Бор (1913) впервые использовал квантовые представления при объяснении электронного строения атомов и благодаря этому объяснил линейчатый спектр водорода и энергию ионизации его атомов. Окончательно теория строения атомов была разработана в 1915–1925 г.г. В неё внесли вклад многие ученые, но более всего Бор, Де Бройль, Шредингер, Дирак, Гейзенберг, Паули, Хунд, Клечковский.

Наука об электронном строении атома называется квантовой механикой. Квантовая механика построена на трех основополагающих представлениях.

Во-первых, это квантовая теория (М. Планк, 1900), согласно которой атомы излучают энергию определенными порциями, кратными некоторой минимальной величине - кванту действия h (постоянная Планка).

Во-вторых, это представление о корпускулярно-волновой двойственности электронов (Л. де Бройль, 1914). При свободном движении электронов проявляются преимущественно их волновые свойства (дифракция), при взаимодействии с веществом – корпускулярные (захват, вторичная эмиссия), а в атомах волновые и корпускулярные свойства присущи электронам одновременно из-за движения в ограниченном околоядерном пространстве.

В третьих, принцип неопределенности (В. Гейзенберг, 1925), согласно которому движение электрона в атоме не может быть точно фиксировано. Положение (координаты) и скорость движения электрона в атоме можно найти лишь с определенной долей вероятности. Принцип неопределенности отражает специфику электронов в атоме, наличие в них противоположных свойств – волны и частицы.

Атомной орбиталью (АО) называется околоядерное пространство, в котором движется электрон. Атомные орбитали не имеют чётких границ, т.к. электрон может находиться на любом расстоянии от ядра. Наглядным отображением состояния электрона в атоме является электронное облако, плотность которого при увеличении расстояния от ядра сначала возрастает, а потом уменьшается (рис.1). Говоря об атомных орбиталях, обычно имеют в виду ту часть околоядерного пространства, в котором вероятность нахождения электрона составляет 90 %.

Уравнение Шредингера – дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка, поэтому оно имеет бесконечное множество решений. Решения, которые характеризуют Е и Y электрона в атоме, отбираются с помощью используемых при решении безразмерных чисел, которые называются квантовыми числами. В этой связи следует привести другое, более строгое определение понятия «атомная орбиталь»:

Атомной орбиталью называется состояние электрона в атоме, отвечающее определенным значениям квантовых чисел.

Дата добавления: 2014-12-16