Квантово–механическая модель атома

2.1. Квантово–механическая модель атома.

Современная квантово-механическая теория строения атома складывалась постепенно. Делались новые открытия, совершенствовался математический аппарат и, соответственно, выкристаллизовывалась модель атома. Современная квантово-механическая теория гласит, что атом любого элемента имеет сложную структуру. Положительная часть атома /положительный заряд/ сосредоточена в ядре. Отрицательную часть составляют электроны, которые находятся в беспрерывном движении.

2.1.1. Строение ядра. Протонно–нейтронная теория.

Ядро атома, открытое в 1911 году Розерфордом, имеет сложную структуру. Основными частицами, входящими в состав любого ядра, являются протоны и нейтроны.

Протон /обозначается ¦р/ – элементарная частица, входящая в состав ядер всех атомов и имеющая массу, равную массе ядра атома водорода /1,008 а.е.м./ и заряд по величине равный заряду электрона, но противоположный по знаку /+1/.

Нейтрон /обозначается ¹₀n/ – элементарная частица, обладающая массой близкой к массе протона /1,00866 а.е.м./, но не несущая электрического заряда /электронейтральная/.

Теория строения ядра атома, предложенная в 1932 году нашими исследователями Иваненко и Гапоном и немецким ученым Гейзенбергом названа протонно–нейтронной теорией ядра. Согласно этой теории:

–ядро атома состоит из нуклонов /так названы в сумме протоны и нейтроны/;

–суммарное число протонов в ядре /Np=¦р/ обуславливает величину положительного заряда ядра /Zя/. От него зависит число электронов в электронейтральном атоме /Ne/ и порядковый номер в таблице Менделеева /Z/:

Z=Ne=Zя=Np;

–суммарное число нейтронов /Nn=¹₀n/ c cуммарным числом протонов /Np/ дают величину массы ядра /А=Np+Nn/. Эту величину называют массовым числом /А/. Массовое число А равно целому числу, наиболее близкому по значению к атомной массе данного элемента Аэ;

–зная заряд ядра и массовое число можно определить количество протонов в ядре:

Nn=А–Z;

–структура ядра атома может быть выражена следующей формулой:

Zp+(A–Z)n

Например, структура ядра атома фтора /А=19, Z=9/ будет 9р+10n, т.е. в состав ядра атома фтора входит 9 протонов и 10 нейтронов. Так как заряд ядра /Z/ и массовое число /А/ являются количественной характеристикой атома любого элемента /Э/, то он ставятся в виде индексов возле символа данного элемента ^A_ZЭ, например для фтора ¹⁹₉F или для серебра ¹⁰⁸₄₇Ag.

Элементы, ядра атомов которых содержат одно и то же число протонов но различное количество нейтронов, названы изотопами, например, цинк /Z=30, A=64; 66; 67; 68;70/ имеет изотопы ⁶⁴₃₀Zn, ⁶⁶₃₀Zn, ⁶⁷₃₀Zn, ⁶⁸₃₀Zn, ⁷⁰₃₀Zn.

Атомы элементов, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер, названы изобарами, например: ⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₁₉K, ⁴⁰₂₀Cr.

Химическим элементом называют вид атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра.

Наряду с протонами и нейтронами в состав ядер атомов входят и другие элементарные частицы, например, мезон. /Мезоны в двести-триста раз тяжелее электрона/. Существует мнение, что мезоны обуславливают ядерные силы, которые приводят к образованию прочных и компактных ядер из протонов и нейтронов. Этот аспект рассматривается в курсе ядерной физики.

2.1.2. Двойственная природа электрона.

Электроны, как элементарные частицы, проявляют корпускулярно-волновой дуализм. Они являются частицами и проявляют волновые свойства.

Любая частица представляет собой сосредоточение вещества в малой части пространства. Следовательно, как частицы электроны обладают массой m_e и зарядом е.

Масса электрона m_e =9,11*10^–28г. /в 1837,11 раз меньше массы атома водорода/. Заряд электрона е=1,6*10^–19 Кл/ или 4,8*10^–10 эл.ст.ед./. Движение электрона как частицы должно характеризоваться, с одной стороны, траекторией, т.е. координатами и, с другой стороны, скоростью в данный момент времени.

Однако в движении электроны проявляют волновые свойства. Этот процесс происходит в объеме трехмерного пространства и развивается во времени, как периодический процесс. Характеристикой волны является длина волны, ее частота, скорость движения и амплитуда с определенным знаком. Следовательно, электронный поток характеризуется длиной волны , которую можно оценить с помощью уравнения Луи де Бройля /1924г./:

=h/mv

Здесь h–постоянная Планка /h=6,62*10^–34 Дж/, m–масса электрона, v–скорость электрона.

Можно сказать, что уравнение де Бройля объединяет характеристику волнового процесса // и корпускулярного движения /mv–импульс/. Волновая природа электронов подтверждена экспериментально полученной картиной интерференции и дифракции электронов.

Неопределенность в поведении электрона.

Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, то его движение не может быть описано определенной траекторией. Траектория «размывается», возникает область /полоса/ неопределенности, в пределах которой и находится электрон.

В связи с этим, для электрона, как микрочастицы, применим принцип /соотношение/ неопределенности Гейзенберга /1927/, который гласит, что в любой момент времени невозможно одновременно точно определить и положение электрона в пространстве /его координату/ и его скорость /импульс/, минимальная возможная неточность равна h.

Математически принцип неопределенности можно выразить так:

(p_x)(x)=>h

Здесьp_x –неопределенность в величине импульса,

x – неопределенность в положении частицы в пространстве,

h – постоянная Планка.

Так как h– величина постоянная, то из принципа неопределенности следует, что чем точнее будем определять импульс электрона / его скорость /, тем большую будем допускать ошибку в определении его координаты, т.е. местонахождения.

В соответствии с принципом неопределенности траекторию электрона нельзя рассматривать со строгой математической точностью, как боровскую орбиту, существует область неопределенности, в которой может двигаться электрон. Поэтому следует говорить только о вероятности того, что электрон в данный момент времени будет в данном месте пространства атома.

В квантовой механике имеют дело со статическими принципами и вероятностным характером поведения электронов. Область пространства атома, внутри которой существует наибольшая вероятность нахождения электрона, называется орбиталью.