ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Магнитное квантовое число . 2..4. Симметрия атомных орбиталей из "Общая химия 2000" Расстояние между узлами кристаллической решетки различных соединений, между соседними атомами в большинстве молекул п размеры самих атомов соизмеримы с полученным значением А. Таким образом, электрон в атоме и молекуле обладает как свойствами частицы, так и волновыми свойствами. Частицы, размеры которых соизмеримы с их длиной волны или меньше, называются микрочастицами или микрообъектами. Частицы больших размеров относят к макрообъектам. Правильное описание движения электрона (микрочастицы) в атоме должно учитывать его двойственный характер. Это невозможно в рамках классической механики Ньютона, но оказывается возможным с помощью более общей механики — квантовой (волновой). Большой вклад в ее развитие внесли В. Гейзенберг и Э. Шредингер. [c.47] В квантовой механике для учета размерности различных величин чаще пользуются так называемыми атомными единицами. В атомной системе единиц запись всех уравнений и выражений теории строения атомов и молекул значительно упрощается и легче проследить их физический смысл. В этой системе приняты за единицы массы , заряда электричества, длины, энергии величины масса электрона, заряд протона, среднее расстояние электрона от ядра в наиболее устойчивом состоянии атома водорода, удвоенная энергия ионизации атома водорода, соответственно. Единице приравнена также величина к/ 2п), называемая единицей действия. Атомная система единиц применяется и в настоящем разделе пособия. В таблице 2.1 приведены некоторые соотношения между атомными единицами и единицами СИ. [c.47] Механика (от греч. тёскаткё — искусство построения машин) — наука о механическом движении материальных тел и взаимодействиях между ними. [c.47] Величина всегда положительна. При этом она обладает важным свойством чем больше ее значение в данной области пространства, тем выше вероятность того, что электрон проявит здесь свое действие, т. е. что его существование будет обнаружено в каком-либо физическом процессе. Более точным будет следующее утверждение вероятность обнаружения электрона в некотором малом объеме ДУ выражается произведением АУ. Таким образом, сама величина выражает плотность вероятности нахождения электрона в соответствующей области пространства. [c.48] Для уяснения физического смысла квадрата волновой функции рассмотрим рис. 2.5, на котором изображен некоторый объем вблизи ядра атома водорода. [c.48] Область пространства, где наиболее вероятно нахождение электрона, определяет форму электронного облака. [c.49] Подобно тому, как в классической механике имеют место фундаментальные законы Ньютона, описывающие движение макротел, для движения электрона и других микрочастиц сформулированы свои — квантовомеханические законы, в частности, уравнение Шредингера. Если состояние системы (ф) не изменяется во времени, то говорят, что система находится в стационарном состоянии. Рассмотрим такое стационарное состояние для микрообъекта (электрона, например). [c.49] Операторы и волновые функции в квантовой механике могут содержать мнимое число г. Однако, рассчитываемые с их помощью физически наблюдаемые величины, — расстояние, импульс, энергия, электрический заряд и другие, — всегда принимают действительные значения. [c.49] Этот коэффициент (полная энергия) таков, что должен удовлетворять закону сохранения энергии. [c.50] Данное уравнение известно как уравнение Шредингера для стационарных состояний. Первое слагаемое гамильтониана отвечает кинетической энергии электрона, а второе — потенциальной. [c.50] Изучение состояния микрочастиц теперь сводится к тому, чтобы описать потенциальную энергию частицы в явном виде и затем решить конкретную форму уравнения Шредингера. [c.50] Наименьшей энергией электрон обладает при п = 1 с увеличением п энергия электрона возрастает. Поэтому состояние электрона, характеризующееся определенным значением главного квантового числа, принято называть энергетическим уровнем электрона в атоме при п = 1 электрон находится на первом энергетическом уровне, при п = 2 — на втором и т. д. Увеличение значения п ведет к повышению энергии электрона, достигая в пределе нулевого значения. При этом электрон оказывается бесконечно далеко удаленным от ядра и не испытывает к нему какого-либо притяжения. Поэтому, чем меньше значение п, тем отрицательнее энергия электрона, тем более он связан, т. е. испытывает притяжение к ядру, находится в устойчивом состоянии связи с ядром. [c.51] При малых значениях п разность энергий ближайших электронных оболочек относительно велика, а при больших значениях п мала. На рис. 2.6 изображена энергетическая диаграмма атома, на которой положение энергетического уровня отображается горизонтальной чертой при соответствующем значении энергии. Энергетические уровни с гг = 5 и выше настолько близки друг к другу по энергии, что они практически сливаются. [c.51] В атоме водорода имеется лишь единственный электрон, двигающийся в поле ядра с зарядом +1, поэтому = г = 1. В этом случае полученное выражение для изменения энергии при возбуждении атома водорода полностью объясняет появление экспериментально найденной для частоты спектров поглощения формулы Бальмера (см. разд. 2.2.2). [c.52] Главное квантовое число также определяет характер радиальной зависимости орбитали, т. е. размеры электронного облака. Чем больше п, тем дальше от ядра атома располагается область наиболее вероятного нахождения электрона. Другими словами, п определяет средний радиус нахождения электрона в атоме. [c.52] Приближенно средний радиус нахождения электрона в атоме может быть рассчитан по формуле Гт = n /2. Для атома водорода в основном состоянии тг = 1 и Z = 1, тогда Гт = 1 а. е. При переходе атома в возбужденное состояние величина п принимает значения больше, чем 1. Поэтому средний радиус нахождения электрона (или средний радиус атома водорода) будет увеличиваться при п = 2, Гт = 4 п = 3, Гт = 9 и т. д. При очень больших значениях п, например п = 1000, Гт = 10 а. е. я 0,53 10 см, размер атомов становится макроскопической величиной. При таких высоких степенях возбуждения у атома резко меняются и другие свойства энергия ионизации (которая уменьшается), время жизни возбужденного состояния (которое увеличивается) и др. Такие атомы, находящиеся в высоковозбужденных состояниях, называются ридберговскими. [c.52] Важно отметить, что Ь — векторная величина направление этого вектора перпендикулярно плоскости, в которой расположены векторы V и г. Определенной форме электронного облака соответствует вполне определенное знач е-ние орбитального момента количества движения электрона Ь. Но поскольку Ь может принимать только дискретные значения, задаваемые орбитальным квантовым числом I, то формы электронных облаков не могут быть произвольными каждому возможному значению I соответствует вполне определенная форма электронного облака. [c.53] Электроны, характеризующиеся значениями орбитального квантового числа О, 1, 2 и 3, называют соответственно 5-электронами, р-электронами, -электрона-ми и /-электронами. При данном значении главного квантового числа п наименьшей энергией обладают 5-электроны, затем р-, и /-электроны. [c.53] Состояние электрона в атоме, отвечающее определенным значениям п и I, записывается следующим образом сначала цифрой указывается значение главного квантового числа, а затем буквой — орбитального квантового числа. Так, обозначение 2р относится к электрону, у которого п = 2 м I = 1, обозначение Зй — к электрону, у которого тг = 3 и / = 2. [c.53] На рис. 2.9 изображены значения волновой функции ф (рис. 2.9, а) и ее квадрата (рис. 2.9, б) для 15-электрона в зависимости от расстояния от ядра г. [c.54] Вернуться к основной статье