Электронная оболочка атома

Если человек не понимает проблемы, он пишет много формул, а когда поймет в че дело, их остается в лучшем случае две.

Я Бор

В начале XX в. Э. Резерфорд в результате опытов по облучению тонкой фольги а-частицами определил структуру атома. Он показал, что атом имеет планетарную модель, т. е. состоит из плотного положительного заряженного ядра, вокруг которого обращается рыхлая электронная оболочка. В целом атом является электронейтральной элементарной структурой химического элемента. Физический смысл порядкового номера 2 элемента в периодической системе элементов был установлен в ядерно модели атома Резерфорда. X совпадает с числом положительных элементарных зарядов в ядре, закономерно возрастающих на единицу при переходе от предыдущего элемента к последующему.

В 1925 г. В. Паули установил квантово-механический закон, называемый принципом Паули, или принципом исключения. В своей простейшей формулировке он гласит: в любом атоме не может быть двух электронов находящихся в двух одинаковых стационарных состояниях, определяемы набором четырех квантовых чисел: главного п_у орбитального /, магнитног т и спинового т₈.

Применительно к системе электронов в атоме принцип Паули можно записать следующим образом: X (п_у /, т_у т₈) = 0 или 1, где X (п_у /, т_у т<)В есть число электронов, находящихся в состоянии, описываемом наборо квантовых чисел п_у /, т_у т₈. Пользуясь принципом Паули, можно найт максимальное число электронов в атоме, имеющих заданные значения тре (п_у /, т), двух (п, I) и одного п квантовых чисел. Принцип Паули сыгра выдающуюся роль в развитии современной атомной и ядерной физики Так, например, удалось теоретически обосновать периодическую систем элементов Д. И. Менделеева.

Химические свойства элементов и ряд их физических свойств объясняются поведением внешних так называемых валентных электронов в атомах. Поэтому периодичность свойств химических элементов должна быть связана с определенной периодичностью в расположении электронов в атомах различных элементов. Теория периодической системы основываетс на следующих положениях:

• а) порядковый номер химического элемента равен общему числу электронов в атоме данного элемента;
• б) состояние электронов в атоме определяется набором их квантовы чисел п_у /, т и т₈. Распределение электронов в атоме по энергетически состояниям должно удовлетворять принципу минимума потенциально энергии: с возрастанием числа электронов каждый следующий электро должен занять возможное энергетическое состояние с наименьшей энергией;
• в) заполнение электронами энергетических состояний в атоме должн происходить в соответствии с принципом Паули.

Электроны в атоме, занимающие совокупность состояний с одинаковым значением главного квантового числа п_у образуют электронную оболочку или электронный слой. В зависимости от значений п различают следующи оболочки: К при п=1,Ь при п = 2, М при п = 3, N при п = 4, О при п- 5 и т. д. Максимальное число электронов, которые могут находится в оболочках согласно принципу Паули: в /С-оболочке — 2 электрона, в оболочках I М_у N п О соответственно 8, 18, 32 и 50 электронов. В каждой из оболоче электроны распределяются по подгруппам или подоболочкам, соответствующим определенному значению орбитального квантового числа.

В атомной физике принято обозначать электронное состояние в атоме символом п 1, указывающим значение двух квантовых чисел. Электроны находящиеся в состояниях, характеризуемых одинаковыми квантовым числами п и /, называются эквивалентными. Число 2 эквивалентных электронов указывается показателем степени в символе п². Если электрон находятся в некоторых состояниях с определенными значениями квантовых чисел п и 1, то считается заданной так называемая электронная конфигурация. Например, основное состояние атома кислорода можно выразить следующей символической формулой: 1л*², 2х², 2р^А. Она показывает что два электрона находятся в состояниях с п = 1 и / = 0, два электрон имеют квантовые числа п = 2 и / = 0 и четыре электрона занимают состояния ся = 2и/=1.

Порядок заполнения электронных состояний в оболочках атомов, а в пределах одной оболочки — в подгруппах (подоболочках) должен соответствовать последовательности расположения энергетических уровней с данными п и /. Сначала заполняются состояния с наименьшей возможной энергией, а затем состояния со все более высокой энергией. Для легких атомов это порядок соответствует тому, что сначала заполняется оболочка с меньшим и лишь затем должна заполняться электронами следующая оболочка. В пределах одной оболочки сначала заполняются состояния с / = 0, а затем состояния с большими / вплоть до / = п — 1. Взаимодействие между электронам приводит к тому, что для достаточно больших главных квантовых чисел состояния с большим п и малым / могут иметь меньшую энергию, т. е. быт энергетически более выгодными, чем состояния с меньшим п, но с большим / Из изложенного следует, что периодичность химических свойств элементо объясняется повторяемостью электронных конфигураций во внешних электронных подгруппах у атомов родственных элементов.

Исследования спектров излучения разряженных газов (т.е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ вполн определенный линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральны линий или групп близко расположенных линий. Самым изученным является спектр наиболее простого атома — атома водорода. Спектр водород может бытьописан формулой, называемой обобщенной формулой Баль;

мера: , где /? — постоянная Ридберга (см. табл. 6.2), т имеет в каждой данной серии постоянное значение т = 1, 2, 3, 4, 5, 6 (определяет серию), п принимает целочисленные значения, начиная с т + 1 (определяе отдельные линии этой серии). Исследование более сложных спектров —В спектров паров щелочных металлов (например, 1л, Ыа, К) — показало, чт они представляются набором незакономерно расположенных линий. Приведенные сериальные формулы подобраны эмпирически и долгое врем не имели теоретического обоснования, хотя и были подтверждены экспериментально с очень большой точностью. Приведенный вид сериальны формул, удивительная повторяемость в них целых чисел, универсальност постоянной Ридберга свидетельствуют о глубоком физическом смысл найденных закономерностей, вскрыть который в рамках классическо физики оказалось невозможным.

Первая попытка построения качественно новой — квантовой — теории атома была предпринята в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором. О поставил перед собой цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, планетарную модель атома Резерфорд и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил два постулата.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния в которых он не излучает энергию. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучение электромагнитных волн. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантованные значени момента импульса, удовлетворяющие условию тиг_т = пк (п = 1,2, 3…), гд т — масса электрона, V — скорость по п-й орбите радиуса

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты па другую излучается (поглощается) кван излучения с энергией ку-Е_п— Е_т> равной разности энергий соответствующих стационарных состояний [(Е_п и Е_т — соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения)]. При Е_т < Епроисходит излучение кванта (переход атома в состояние с большей энергией, т. е. переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набо возможных дискретных частот у= (Е_п — Е_т)/к квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома.

Квантовая механика позволила объяснить вопрос об излучении спектральных линий атомом, находящимся в возбужденном состоянии, а также процессы поглощения излучения, которое падает на атом, в полном согласии с опытом. Предположим, что электрон находится в некотором энергетическом состоянии, характеризуемом главным квантовым числом п Вероятность нахождения электрона в элементе объема (IV внутри атом выразится как |ф"|² (1V. Было показано, что в квантовом состоянии, характеризуемом главным квантовым числом п, вероятность местоположени электрона в атоме не зависит от времени, не изменяется с течением времени. Электрон в таком состоянии не будет совершать колебаний и излучать энергию. Его энергия Е_п не будет изменяться. Энергетическое состояние электрона, характеризуемое определенной энергией Е_п являетс стационарным. Находясь в этом состоянии, электрон не излучает энергию Это есть объяснение первого постулата Н. Бора о наличии у атома стационарных состояний, находясь в которых электроны атома не излучаю энергию. С точки зрения квантовой механики стационарное состояни атома должно сохраняться как угодно долго, если нет причин, вызывающих изменение энергии атома. Однако опыт показывает, что атом, находящийся в возбужденном энергетическом состоянии, сам собой переходи в нормальное, невозбужденное состояние, излучая свет. Такое излучение происходящее в отсутствие внешних причин, изменяющих энергию атома называется самопроизвольным, или спонтанным, излучением. В квантово физике переход атома из одного состояния в другое, связанный с излу чением или поглощением кванта Е = Иу, описывается с помощью общего уравнения Шредингера, в котором волновая функция электрона зависи не только от координат, но и от времени, ф = ф (х, у, 2, ?).

Квантовая механика позволила преодолеть непоследовательность теории Бора. Оказалось, что уравнение Шредингера составлено так удачно, что его решение для электронов в атоме позволяет без всяких постулато и правил отбора получить все объяснения данных наблюдений. Перехо атома из одного состояния в другое означает переход между этими состояниями его оптического электрона, описываемого волновой функцией ф Естественно, что сам спектр излучения состоит из отдельных линий, соответствующих переходам между дискретными уровнями энергии в атоме и охватывает весьма широкий диапазон частот — область инфракрасног излучения, видимую область, ультрафиолетовую часть спектра и даж рентгеновский линейчатый спектр (в случае тяжелых атомов). Атомы разных химических элементов обладают различными спектрами излучения На этом основан спектральный анализ химического состава таких небесных тел, как Солнце и звезды.

Таким образом, в области микромира согласно современной естественно-научной картине мира па смену «волнам материи» пришли «волны вероятности». Вероятностная трактовка волновой функции отражает присущие микрообъектам элементы случайного в их поведении. Необходимо оказывается лишь вероятность поведения микрообъекта. Это означает, чт предсказания в квантовой физике имеют, вообще говоря, вероятностны характер и, следовательно, физика микрообъектов является принципиально статистической теорией. Случаен факт обнаружения электрона в то или ином месте около ядра; вероятность же его обнаружения в данно месте вполне определенна, т. е. определяется формой и размерами соответствующего «электронного облака».

Вероятность лежит в самой основе квантовой механики и вообще квантовой физики. Академик В. А. Фок писал: «В квантовой механике понятие вероятности есть понятие первичное, оно играет там фундаментальну роль». «Статистические методы в физике, — писал Борн, — по мере развития науки распространялись все больше и больше, и сегодня можн сказать, что современная физика полностью опирается на статистическу основу… Это является событием в истории человеческого мышления, значение которого выходит за пределы самой науки».

Вероятностный подход к описанию явлений микромира совершенно не означает, что движение микрочастиц непредсказуемо и произвольно Зная волновую функцию, можно определить вероятность появлени частицы в любом месте и в любое время. На смену жестко детерминированным законам классической физики, справедливым в макромире пришли вероятностные законы, работающие в микромире. Они являютс отражением специфики микрообъектов, проявлением новых свойств материи на уровне ее мельчайших структурных единиц. Принцип соответстви работает и здесь — при переходе к макрообъектам квантово-механически аспект движения становится неощутимым из-за очень низкого значени постоянной Планка к. Динамические законы есть предельный случай более общих вероятностных закономерностей. Последние не являются свидетельством неполноты нашего знания, а отражают глубокое понимание свойств материи на новом качественном уровне.