Электронное строение атома Периодический закон (стр. 1 из 2)
Лекция № 2 и 3
Электронное строение атома.
Периодический закон.
Квантово-механическая модель атома. Атомные орбитали. Квантовые числа.
Правила заполнения электронами атомных орбиталей. Валентность.
Периодический закон. Периодическая система.
Теория строения атома основана на законах, описывающих движение микрочастиц (электронов, атомов, молекул) и их систем (например, кристаллов). Массы и размеры микрочастиц чрезвычайно малы по сравнению с массами и размерами макроскопических тел. Поэтому свойства и закономерности движения отдельных микрочастиц отличаются от свойств и закономерностей движения макроскопических тел, изучаемых классической физикой. Движение и взаимодействие микрочастиц описывает квантовая механика, которая основывается на представлении о квантовании энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов.
Примерно в начале XX в. исследования явлений (фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия распространяется и передаётся, поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать определённые значения, которые являются кратными частицами квантов.
Предположение о квантовании энергии впервые было высказано М. Планком в 1900 г. и было обосновано Эйнштейном в 1905 г.: энергия кванта
зависит от частоты излучения 
: 
, где (1) 
– постоянная Планка ( 
)Частота колебаний
и длина волны 
связаны соотношением: 
,где
– скорость света.Согласно соотношению (1), чем меньше
, тем больше энергия кванта и наоборот. Таким образом, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи обладают большей энергией, чем скажем радиоволны и инфракрасные лучи. Для описания электромагнитного излучения привлекают как волновые, так и корпускулярные представления: с одной стороны монохроматическое излучение распространяется как волна и характеризуется длиной волны , с другой стороны оно состоит из микрочастиц – фотонов, переносящих кванты энергии.Явление дифракции электромагнитного излучения доказывает его волновую природу. В то же время электромагнитное излучение обладает энергией, массой, производит давление. Так, вычислено, что за 1 год масса Солнца уменьшается за счёт излучения на
.В 1924 г. Луи де Бройль предложил распространить корпускулярно-волновые представления на все микрочастицы, т.е. движение любой микрочастицы рассматривать как волновой процесс. Математически это выражается соотношением де Бройля, согласно которому частице массой
, движущейся со скоростью 
, соответствует волна длиной : 
, (2) 
– импульс частицы.Гипотеза де Бройля была экспериментально подтверждена обнаружением дифракционного и интерферентного эффектов потока электронов.
Согласно соотношению (2) движению электрона (
, 
) отвечает волна длиной 
, т.е. её длина соизмерима с размерами атомов.В 1925 г. Шрёдингер предположил, что состояние движения электрона в атоме должно описываться уравнением стоячей электромагнитной волны. Он получил уравнение, которое энергию электрона связывает с пространством Декартовых координат и так называемой волновой функцией
, которая соответствует амплитуде 3-х мерного волнового процесса: 
, где 
– полная энергия электрона 
– потенциальная энергия электрона 
– вторая частная производная 
Уравнение Шредингера позволяет найти волновую функцию
как функцию координат. Физический смысл волновой функции в том, что квадрат её модуля определяет вероятность нахождения электрона в элементарном объёме 
, т.е. характеризует электронную плотность.Т. к. электрон обладает свойствами волны и частицы, мы не можем определить его положение в пространстве в определённый момент времени. Электрон размазан, т.е. делокализирован в пространстве атома. В этом заключается принцип Гейзенберга.Микрочастица, так же как и волна не имеет одновременно точных значений координат и импульса. Это проявляется в том, что чем точнее определяется координаты частицы, тем неопределеннее её импульс, и наоборот. Поэтому мы говорим о максимально вероятном нахождении электрона в данном месте в определённый момент времени. Та область пространства, где >90% находится электрон называется атомной орбиталью. Уравнение Шредингера имеет множество решений, но физически осмысленное решение только в определённых условиях.
Для описания стоячей волны, образованной в атоме движущимся электроном, т.е. для нахождения волновой функции
необходимы квантовые числа.В 3-х мерном пространстве 4-мя квантовыми числами описывается состояние электрона:
Главное квантовое число
характеризует удалённость электрона от ядра и определяет его энергию (чем больше , тем больше энергия электрона и тем меньше энергия связи с ядром). принимает целочисленные значения от 1 до ¥.Состояние электрона характеризующееся различными значениями главного квантового числа
, называется электронным слоем (электронной оболочкой, энергетическим уровнем). Они обозначаются цифрами 1, 2, 3, 4, 5, … или соответственно буквами K, L, M, N, O ….Квантовое состояние атома с наименьшей энергией – основное состояние, а с более высокой – возбуждённое состояние. Переход электрона с одного уровня на другой сопровождается либо поглощением, либо выделением энергии:
.Побочное квантовое (орбитальное, азимутальное) число
(принимает все целочисленные значения от 0 до (n-1)). | | | Орбиталь |
| 1 | 0 | 1s |
| 2 | 0,1 | 2s,2p |
| 3 | 0,1,2 | 3s,3p,3d |
Состояние электрона характеризующееся различными значениями побочного квантового числа
называется энергетическим подуровнем. В пределах каждого уровня с увеличением , растёт энергия орбитали.Каждому значению
соответствует определённая форма орбитали (например, при 
– это сфера, центр которой совпадает с ядром). 
Магнитное квантовое число
характеризует ориентацию орбитали в пространстве (принимает все целочисленные значения от - 
до + ).Например, для
. В пределах каждого подуровня орбиталь имеет одинаковую энергию.