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.

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:

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.

Побочное квантовое число l при 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).