Современная теория строения атомов и молекул основана на законах квантовой механики, описывающих свойства материи и законы ее движения в силовых полях на уровне микрообъектов и микроявлений.
Три основополагающие идеи квантовой механики, отличающие её от классической механики:
‑ дискретность или квантование энергии,
‑ корпускулярно-волновой дуализм или двойственная природа электрона,
‑ вероятностный характер законов микромира.
Общими для квантовой и классической механик являются законы сохранения энергии, массы, заряда и импульса.
Постулаты Н. Бора
В 1913 г. Н. Бор предложил первую квантовую теорию строения атома. Эта теория основана на следующих постулатах:
- Электроны в атоме вращаются не по произвольным, а по строго определенным орбитам, находясь на которых он не излучает и не поглощает энергии.
- Переход электрона из одного стационарного состояния (Е2) в другое (Е1) сопровождается испусканием кванта излучения:
DЕ = Е2 – Е1 = hn
Двойственная природа излучения
В основе современной теории строения лежит представление о двойственной природе микрообъектов – они могут проявлять себя как частицы и как волны, обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами.
Впервые двойственная корпускулярно-волновая природа была установлена для света.
Интерференция, дифракция
Двойственная природа излучения (волновые свойства)
Явление фотоэффекта
(корпускулярные свойства)
Приравнивая энергию фотона hn к полному запасу его энергии mc2 и принимая во внимание, что n = c/l, получим уравнение, описывающее одновременно волновые и корпускулярные свойства фотонов:
Согласно этому уравнению, фотону, имеющему массу m и движуще-муся со скоростью c, соответствует волна длиной l.
Уравнение де Бройля
Луи де Бройль (1924 г.) показал, что все микрочастицы (в том числе и электрон) обладают двойственной корпускулярно-волновой природой. Движение любой микрочастицы представляет собой волновой процесс, описываемый следующим соотношением (уравнением де Бройля):
,
где m – масса частицы, г;
u - скорость частицы, м/с.
Волны, соответствующие движущимся частицам, получили название волн де Бройля.
В 1927 г. гипотеза Луи де Бройля, приписывающая электрону волновые свойства, была подтверждена экспериментами американских физиков Девиссона и Джермера. Они обнаружили, что при столкновении пучка медленных электронов с кристаллическим телом (кристаллической решёткой) наблюдается явление дифракции, аналогичное явлению дифракции рентгеновских лучей.
Луи де Бройль (1892-1987) – французский физик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии.
Двойственная природа электрона
Корпускулярные свойства: имеет массу, импульс и др.
Электрон
Волновые свойства: интерференция, дифракция и др.
lē » 10-7 см
Из уравнения де Бройля следует, что электрон, находящийся в состоянии покоя (u = 0), имеет значение l = ¥. Чем меньше скорость движения электрона в атоме, тем больше величина длины волны де Бройля и тем ближе электрон по свойствам к частице. Чем больше значение скорости, тем характернее для электрона волновые свойства.
У макрообъектов, обладающих сравнительно большой массой, волновые свойства не поддаются измерению. Так, при массе дробинки в 1 г, летящей со скоростью 1000 м/с, длина волны де Бройля равна около 7 × 10-12 пм. Это значение l мало даже по сравнению с размерами ядер атомов (0,001 пм). Построить прибор, позволяющий измерить такое значение длины волны, невозможно, а следовательно, невозможно обнаружить волновую природу макрообъектов.
Электронное облако
В качестве модели состояния электрона в атоме в квантовой механике принято представление об электронном облаке, плотность соответствующих участков которого пропорциональна вероятности нахождения там электрона.
Электронное облако
Чем прочнее связан электрон с ядром, тем электронное облако меньше по размерам и более плотно по распределению заряда.
Пространство вокруг ядра атома, в котором наиболее вероятно (не менее 90 %) пребывание электрона, называют атомной орбиталью.
ОРБИТАЛЬ – область наиболее вероятного местонахождения электрона в атоме (атомная орбиталь) или в молекуле (молекулярная орбиталь).
Электрон движется в атоме вокруг ядра не по фиксированной линии-орбите, а занимает некоторую область пространства. Например, электрон в атоме водорода может с определенной вероятностью оказаться либо
