Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Электронные оболочки атомов



Исследования Э. Резерфорда по прохождению α-лучей через металлическую фольгу показали, что в строении атомов есть сходство с Солнечной системой. Но скоро стало ясно, что это очень приблизительная аналогия.

Атомы поглощают и излучают световую энергию, создавая характерные наборы спектральных линий. Если световой луч проходит через газ и после этого развертывается в спектр стеклянной призмой, то на светлом фоне появляются темные линии поглоще-

ния, характеризующиеся длиной волны к или частотой V = с/к. Горячий газ сам излучает световую энергию, давая светлые линии на темном фоне. Это спектр излучения (рис. 5.2).

Спектры используются для установления состава газовых смесей, так как каждый химический элемент дает свой неповторимый набор спектральных линий.

Однако для понимания строения атома главное заключается в самом существовании линейчатых спектров. После появления планетарной модели атома стало понятно, что спектры возникают в результате поглощения и излучения электронами квантов электромагнитного излучения (фотонов) только определенной энергии, которая связана с частотой:

E = hv. (5.2)

где h = 6,63 • 10 -34 Дж • с - постоянная Планка.

Следовательно, энергия самих электронов принимает лишь некоторые разрешенные значения и изменяется только скачкообразно. В этом состоит важное отличие в характере движения электронов от движения планет.

Еще большее своеобразие движению электронов в атоме придают волновые свойства. Экспериментально было обнаружено, что электроны претерпевают дифракцию (рассеяние) при прохождении через отверстия в металле, подобно световым волнам. Французский физик Луи де Бройль (1892-1984) пришел к выводу, что волновые свойства присущи вообще всем материальным объектам - и микрочастицам, и мас-

Рис. 5.2. Участки спектра излучения (а) и поглощения (б) водорода

сивным телам, причем длина волны зависит от скорости V и массы т данного объекта:

У макрообъектов, таких, как теннисный мяч, летящая муха, искусственный спутник Земли и т. д., волновые свойства не различимы на фоне собственных размеров предмета, и учитывать их практически не требуется. Например, первый искусственный спутник Земли массой 84 кг и диаметром 0,58 м (СССР, 1957) двигался со скоростью 7900 м/с. Рассчитаем длину волны этого спутника:

При указанном диаметре спутника, и тем более радиусе его орбиты 7000 км, такая длина волны никак не может проявиться. Иное положение с электроном в атоме. Масса электрона кг, а ско-

рость его движения в атоме водорода (по теории Бора) Вычисляем длину волны электрона:

Сама по себе эта длина волны тоже весьма мала, но ее надо сравнивать с размером атома, где движется электрон. Радиус атома водорода равен лишь 53 пм. В этом и состоит чрезвычайно важное отличие системы «электрон-ядро» от такой системы, как искусственный спутник - Земля. Длина волны электрона в 6 раз превышает радиус атома. Поэтому волновые свойства электрона в атоме не только проявляются, но и определяют размер атома. Длина волны совпадает с длиной окружности радиусом 53 пм.

Наши привычные представления о движении тел не позволяют представить себе совмещение в одном объекте волновых и корпускулярных свойств (корпускула - частица). Волновое движение электрона в атоме создает эффект распределения его в некотором

объеме, в центре которого находится ядро атома. Движущийся электрон приобретает сходство с облаком пара. Из этой аналогии возникло общепринятое представление об электронных облаках в атоме. Можно вычислять вероятность появления электрона в малом объеме пространства dV. Отношениевероятность/&V называется плотностью вероятности, или плотностью электронного облака. По мере удаления от ядра плотность электронного облака убывает и на некотором расстоянии может считаться равной нулю. Это расстояние приблизительно соответствует радиусу сферы, в которой вероятность нахождения электрона составляет 90%, а также размерам атомов в молекулах и кристаллических структурах.

Область пространства в атоме, соответствующая 90%-й вероятности пребывания электрона, называется орбиталью.

Волновое движение электрона можно уподобить стоячей волне на закрепленной струне. При ударе она приходит в колебательное движение, причем на ней может укладываться 1,2, 3 и т. д. полуволн. На рис. 5.3 показана струна в колебательных состояниях с одной и двумя полуволнами и аналогичные состояния электрона, образующего при этом орбитали различной формы. Из этой аналогии особенно важно понять, что, подобно закрепленной струне, электрону в атоме соответствует некоторый набор состояний, переход между которыми носит скачкообразный характер: все промежуточные состояния запрещены.

Рис. 5.3. Колебательные состояния струны и аналогичные им электронные орбитали