![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Движение электронов в атомеСтр 1 из 51Следующая ⇒
Каждый атом или молекула может находиться в том или другом энергетическом состоянии. Иначе говоря, их внутренняя энергия квантована. Взаимодействие частиц в квантовой механике характеризуют потенциальной энергией, формула которой заимствуется из классической механики. Например, потенциальная энергия заряженной частицы (например, электрона с зарядом минус q) в электрическом поле другой заряженной частицы (например, ядра атома водорода c зарядом плюс q) выражается формулой
Эту формулу и переносят в квантовую механику как формулу, характеризующую электрическое взаимодействие двух заряженных частиц. В этом случае уравнение Шрёдингера примет вид:
Уравнение в частных производных (1.13) имеет множество решений. В каждой конкретной задаче из этого множества следует выбрать одно решение, отвечающее условиям задачи. Геометрический образ, соответствующий Для описания электронной системы, будь то атом, молекула или кристалл необходимо знать все её возможные квантовые состояния, характеризуемые энергетическим спектром системы (кристалла, атома). Если электронная система находится в равновесии и не подвергается никаким внешним воздействием, то находящиеся в ней электроны должны занимать состояния с минимальной энергией. Решения уравнения Шрёдингера существуют только для волновых функций, характеризуемых набором целых чисел (которые называют квантовыми): n, l, m и соответствующих им дискретных значений энергий. Главное квантовое число n может принимать любые целые положительные значения от 1 до ∞. Оно определяет величину энергии и влияет на размеры атомной орбитали – пространства, в котором велика вероятность нахождения электрона. С увеличением n расстояние между энергетическими уровнями и энергия связи электронов с ядрами уменьшается, значение энергетического зазора между уровнями падает.
Здесь Z – порядковый номер элемента в таблице Д.И. Менделеева. Орбитальное квантовое число l определяет форму орбитали. Значение орбитального числа l= (n -1)= 0, 1, 2, 3, …, (n -1). Также вводят буквенные обозначения: 0-s, 1-p, 2-d, 3-f. Магнитное квантовое число характеризует величину магнитного поля, создаваемого при вращении электрона вокруг ядра. Поэтому значение магнитного квантового числа m связано со значением орбитального квантового числа и изменяется от – l до + l, а всего число может принимать (2 l + 1) значение, включая нулевое. Например, для l = 2: m = -2, -1, 0, 1, 2. Сколько электронов может находиться на одной орбите? Вольфганг Паули в 1925 г. сформулировал принцип запрета: на любой атомной орбите может находиться не более двух электронов. Если бы этого не наблюдалось, все электроны в сложных атомах перешли бы на самый нижний энергетический уровень. В том же 1925 г. голландец Ральф Кронинг и независимо Джордж Уленбек и Самюэль Гаудсмит предположили, что электрон вращается вокруг собственной оси. Внутренний момент импульса, связанный с этим вращением, назвали спином (от англ. spin – вращение), а момент, связанный с вращением вокруг ядра – орбитальным моментом. Но какая ось у электрона – материальной точки? Там не менее, существенно, что электрон помимо координат и импульса характеризуется вектором спина, спин, подобно заряду, - внутренняя характеристика электрона, в классической теории аналогичного понятия быть не может. Спиновое число s = + ½. Спин – это одно из проявлений принципа тождественности частиц, который применительно к электронам звучит так: все электроны Вселенной неразличимы. В квантовой теории сама постановка вопроса: что в этой точке находится электрон №8, не имеет смысла. Электроны, как и фотоны, можно изучать лишь в совокупности. В 1940 г. тот же Паули выдвинул теорему, согласно которой для частиц с полуцелым спином (фермионов) выполняется принцип запрета (на одной орбитали находится не более 2 s +1 частиц). У фотона, глюона (осуществляет обмен между кварками) s =1 – целое число, в одном состоянии может находиться любое число частиц. Свое название – фермионы, частицы с полуцелым спином (электроны, дырки) получили по имени итальянского физика Энрико Ферми. Частицы с целым спином (включая нуль) – бозоны, по имени индийского ученого Шатьендраната Бозе. Схема заполнения атомных оболочек отражена в периодической таблице элементов Менделеева: порядковый номер элемента Z соответствует числу электронов атома, номер периода, показывает значение главного квантового числа внешней оболочки атома (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7). Группа, в которой находится элемент, указывает число электронов, находящихся на внешней оболочке, для которой главное квантовое число соответствует номеру периода. Электрону, находящемуся в атоме, можно сообщить энергию, достаточную для того чтобы он не только перешел на более высокий возбужденный уровень, характеризующийся следующим главным квантовым числом n, но и стал свободным. Атом при этом превращается в положительно заряженный ион. Соответствующую энергию называют энергией ионизации атома.
|