Оглавление 43 44 45 46 47 — — — 270 

Состояние электронов в атомах. Понятие о волновой механике. Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма лучеиспускания, а с другой — к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.
Движение электронов в атомах рисовалось Бору до известной степени как простое механическое перемещение, между тем как оно является весьма сложным и своеобразным. Своеобразие движения электронов было раскрыто новой теорией — квантовой, или волновой, механикой.
Эта теория исходит из положения, что законы механики Ньютона, справедливые для тел с достаточно большой массой: (т. е. для таких, с которыми мы обычно встречаемся на практике), неприменимы к движению электронов в атоме и должны быть заменены новыми законами, согласующимися с особенностями этого движения.

Упрощенные схемы атомов элементов I—III периодов

Рис. 27. Упрощенные схемы атомов элементов I—III периодов

Квантовая механика показывает, что законы движения электронов имеют много общего с законами распространения волн, почему она и называется иначе волновой механикой. Так, согласно принципам квантовой механики, при рассеянии электронов кристаллами должны наблюдаться явления диффракции, как и при рассеянии рентгеновых лучей. Диффракция электронов действительно была вскоре обнаружена и в настоящее время применяется для исследования строения вещества столь же широко, как и диффракция рентгеновых лучей. В частности, на диффракции электронов основано устройство электронного микроскопа.
Так как математическая сторона новой теории является очень сложной, то мы не будем на ней останавливаться. Укажем только, что основным уравнением в волновой механике является уравнение, связывающее длину волны λ для потока электронов с их скоростью v и массой т:

SAM_1663-1

тде h — постоянная Планка, равная 6,624• 10-27 эргсек.
Охватывая более широкий круг явлений, чем теория Бора, волновая механика решает ряд вопросов, с которыми теория Бора справиться не смогла.
Так, например, при помощи волновой механики получает объяснение устойчивость лишь определенных электронных орбит.«Устойчивыми» являются только те орбиты, на которых уклады­вается целое число волн. Так как длина круговой орбиты срадиусом r равна 2πr, то устойчивость орбиты будет опреде­ляться уравнением
математическое выражение пер­вого постулата Бора
 

где π — целое число. Это и есть математическое выражение первого постулата Бора, которое он в 1913г. положил в основу расчета движения электрона в атоме водорода.
В приведенном уравнении множитель п, называемый главным квантовым числом, может принимать значение любого целого числа от 1 до бесконечности.
Главное квантовое число определяет уровень энергии, которому отвечает данная орбита, и ее удаленность от ядра. Значение n = 1 соответствует наиболее низкому энергетическому уровню, обозначаемому буквой K; значение  π = 2 — энергетическому уровню L и т. д.

Следует заметить, что современная волновая механика в слово «орбита» вкладывает иной смысл, чем тот, который оно имело в теории Бора. Дело в том, что волновая механика рассматривает только большую или меньшую вероятность нахождения быстро движущегося электрона в той или иной точке пространства. Поэтому под словом «орбита» в волновой механике понимают ту область (сферу) вокруг ядра, в которой в среднем чаще всего находится электрон.
Вероятность нахождения электрона может быть выражена также с помощью понятия об электронном облаке. Электрон так быстро движется вокруг ядра, что можно представить себе его электрический заряд «размазанным» в облако отрицательного электричества. Плотность облака больше там, где больше вероятность пребывания электрона.

Таким образом, понятие об электронной орбите как об определенной линии заменяется в волновой механике понятием об электронной сфере или электронном облаке. Так, например, круговой орбите электрона в атоме водорода с главным квантовым числом п = 1 соответствует электронное облако, в котором наи­большая плотность находится вблизи шарового слоя с радиусом r = 0,53 ангстрема, равным радиусу первой боровской орбиты. Однако электрон может находиться и на большем и на меньшем расстоянии от ядра, только вероятность его нахождения здесь будет меньшей. При п = 2 наибольшая плотность электронного облака расположена дальше от ядра и т. д.

Таким образом, главное квантовое число определяет среднее радиальное распределение электронной плотности около ядра.
Помимо главного квантового числа, состояние электрона в атоме характеризуется еще тремя другими квантовыми числами: l, т и s.
Побочное (азимутальное) квантовое число характеризует момент количества движения электрона относи­тельно центра орбиты. Оно определяет форму электронного облака (форму орбиты), его сплошность или разрывы и его вытянутость.
 

Побочное квантовое числопри данном главном квантовом числе п может принимать все значения целых чисел от 0 до n— 1. Так, если главное квантовое число п равно 1, то по­бочное число l будет равно нулю. В этомслучае электронное облако имеет форму шара (рис. 28, а).

При главном квантовом числе 2 побочное квантовое число мо­жет иметь значения: 0 и 1. При главном квантовом числе 3 воз­можны значения l, равные 0, 1, 2 и т. д.
Вместо обозначения l числами 0, 1, 2, 3, 4 нередко пользуются буквенными обозначениями: s, р, d, f, g и говорят о s, р, d и т. д. состояниях электронов, или s-, р-, d- и т. д. орбитах.

Магнитное квантовое число т определяет поло­жение плоскости орбиты электрона в пространстве или, согласно представлениям волновой механики, то направление, в котором вытянуто электронное облако. Это число может иметь все значе­ния целых чисел как положительные, так и отрицательные,. но только в пределах величины l. Например, при l, равном нулю, т тоже равно

Электронные облака: а—атома водорода; молекулы водорода

Рис. 28. Электронные облака: а—атома водорода; молекулы водорода

нулю; если l равно трем, то m может быть рав­ным: —3, —2, —1, 0, 1,2, 3.

Однако электрон в атоме вращается не только вокруг ядра, но еще и вокруг собственной оси, причем возможно его вращение в двух противоположных направлениях. Это вращение электрона (так называемый «спин») характеризуется четвертым, спиновым квантовым числом s. Последнее может иметь только два значения — положительное и отрицательное — соответственно двум возможным направлениям вращения электрона.Указанными четырьмя квантовыми числами можно охарактеризовать всю совокупность сложных движений электрона в атоме. Однако они еще не дают исчерпывающего представления о распределении электронов в атоме, так как число их произвольных сочетаний между собой неограниченно велико.На основании анализа спектров и учета положения элементов в периодической системе физиком Паули был найден общий принцип, позволяющий избрать те сочетания квантовых чисел, которые отвечают реальной действительности. Согласно этому принципу, ни в одном атоме нет электронов, сходных во всех отношениях. Иначе говоря, два электрона в атоме не могут иметь четыре одинаковых квантовых числа.

Так, например, первом энергетическом уровне (n=1; l = 0; т = 0) могут находиться только два электрона, отличающиеся своими спинами.На втором энергетическом уровне, отвечающем квантовому числу 2, в состоянии 5, или на s-орбите (l = 0; т = 0), могут быть два электрона с противоположными спинами и в состояниях р, или на р-орбитах (l — 1, m = —1, 0, +1), по два электрона на каждой. Всего, таким образом, на втором энергетическом уровне может находиться восемь электронов (см. табл. 6).При главному квантовом числе n = 3 побочное квантовое число l может принимать значения 0, 1 и 2 (s, р и d),которым соответствуют следующие значения т:при l = 0 т = 0при l=1 т = — 1, 0, + 1приl = 2 т = — 2, — 1, 0, + 1, +2 Так как в каждом состоянии т может быть два электрона, то всего на третьем энергетическом уровне, отвечающем n = 3, могут разместиться 18 электронов (табл. 8 на стр. 162—164). Таким же образом не трудно подсчитать, что на четвертом энергетическом уровне (n = 4) может быть не более 32 электронов. Вообще же максимальное число электронов N, которое может находиться на данном энергетическом уровне п

n, определяется в соответствии с принципом Паули уже известной формулой N = 2n2.Расположение электронов в атомах удобно записывать в виде кратких формул, которые составляются следующим образом. Сначала пишут цифру, указывающую главное квантовое число, за нею следует буква, обозначающая побочное квантовое число, и в виде показателя к ней пишут число электронов, находящихся

Расположение электронов в атомах элементов малых периодов
Обозначение слоя К L M
Главное квантовое число n 1 2 3
Побочное квантовое число l 0 0 l 0 l 2
Буквенное обозначение числа l   s s P s p d
1. Водород н 1          
2. Гелий Не 2          
3. Литий Li 2 1        
4. Бериллий Be 2 2        
5. Бор в 2 2 1      
6. Углерод с 2 2 2      
7. Азот N 2 2 3      
8. Кислород О 2 2 4      
9. Фтор F 2 2 5      
10. Неон Ne 2 2 6      
11. Натрий Na 2 2 6 1    
12. Магний Mg 2 2 6 2    
13. Алюминий Al 2 2 6 2 1  
14. Кремний Si 2 2 6 2 2  
15. Фосфор P 2 2 6 2 3  
16. Сера S 2 2 6 2 4  
17. Хлор Cl 2 2 6 2 5  
18. Аргон Ar 2 2 6 2 6  

на соответствующих орбитах. Так, например, «электронная формула» атома водорода будет: 1s1, атома гелия — 1s2, атома лития— 1s2, 2s1, атома кислорода — 1s2, 2s2, 2р4, атома неона — 1s2, 2s2, 2р6, атома алюминия — 1s2, 2s2, 6, 3s2, 3р1 и т. д.

44 45 46

Вы читаете, статья на тему Состояние электронов в атомах