Вопрос 3. Квантово-механические представления об атоме.

Строение атома.

В результате экспериментов, посвященных выяснению строения атома, было установлено, что атомы состоят из положительно заряженных ядер и электронной оболочки. Заряд ядра атома определяется находящимися в нем положительно заряженными частицами-протонами. Например, заряд ядра атома фтора равен +9. Из этого следует, что в состав ядра атома фтора входит девять протонов. Почему числом протонов в ядре отмечаются атомы разных элементов? По сравнению с протонами и нейтронами электроны имеют несравнимо меньшую массу, поэтому массу всего атома считают, принимая во внимание находящиеся в ядре нейтроны и протоны. При расчете числа протонов и нейтронов, находящихся в ядре протонов, необходимо учесть, что масса протона приблизительно равна массе нейтрона. Таким образом, масса атома считается равной суммарной массе находящихся в ядре протонов и нейтронов. Так если в состав атома кремния входит 14 нейтронов и 14 протонов то атомная масса кремния будет равна 28.Если известны заряд атома, то можно рассчитать, сколько нейтронов находится в ядре. Например, заряд ядра атома бора равен +5, а относительная атомная масса 11. Это означает, что в ядре находится, пять протонов и 11-5=6 нейтронов. Число электронов, составляющих электронную оболочку атома, равно числу протонов, входящих в состав атомного ядра (атом электронейтрален). Это следует из того, что заряд электрона численно равен заряду протона. Таким образом, атомный номер элемента показывает число электронов, составляющих электронную оболочку атома. Например, атомный номер кислорода равен 8. Электронную оболочку атома кислорода составляют восемь электронов. Необходимо помнить, что электроны располагаются в атоме не как угодно, а по слоям. Зная номер периода, можно определить число электронных слоев атома, на которых находятся электроны. Так, если рубидий находится в пятом периоде, то электроны этого элемента располагаются на пяти электронных слоях.

Модели атома(Морозова, Резерфорда, Бора) В 1900 г. М. Планк (Германия) высказал предположение, что вещества поглощают и испускают энергию дис­кретными порциями, названными им квантами. Энергия кванта Е пропорциональна частоте излучения (колебания) v:где h - постоянная Планка (6, 626*10"-34 Дж-с.); v = с /Лямбда, с — скорость света; X — длина волны.

В 1910 г. В лаборатории Э. Резерфорда (Англия) в опытах по бомбардировке металлической фольги α-частицами было установлено, что некоторые α-частицы рассеиваются фольгой. Отсюда Резерфорд заключил, что в центре атома существует положительно заряженное ядро малого размера, окруженное электронами. Наличие положительного ядра в атоме получило подтверждение в дальнейших экспериментах. Радиусы ядер лежат в пределах 10-14—10-15 м, т.е. в 104—105 раз меньше размера атома. Резерфорд предсказал существование протона и его массу, которая в 1800 раз превышает массу электрона. В этом же 1910 г Резерфорд предложил ядерную планетарную модель атома, состоящего из тяжелого ядра, вокруг которого двигаются по орбиталям электроны, подобно планетам солнечной системы. Однако, как показывает теория электромагнитного поля, электроны в этом случае должны двигаться по спирали, непрерывно излучая энергию, и падать на ядро.

В 1910 г. датский ученый Н.Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил модель строения атома водорода, соглас­но которой электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а лишь по разрешенным орбитам, на которых электрон обладает определенны­ми энергиями. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает энергию в виде квантов. Каждая орби­та имеет номер п (1, 2, 3, 4, ...), который назвали главным квантовым числом.

Вопрос 2. Постулаты Бора, радиус, энергия, уравнение Бора.

Бор вычислил радиусы орбит. Радиус первой орбиты был 5,29-10"13 м, радиус других орбит был равен: rn = n2(5,29-10-13).Энергия электрона (эВ) зависела от значения главного квантового числа п:

En=-13,6(1/n2).Отрицательный знак энергии означает устойчивость системы, ко­торая тем более устойчива, чем ниже (чем более отрицательна) ее энергия. Атом водорода обладает минимальной энергией, когда элек­трон находится на первой орбите (п=1). Такое состояние называется основным. При переходе электрона на более высокие орбиты атом становится возбужденным. Такое состояние атома неустойчиво. При переходе с верхней орбиты на нижнюю атом излучает квант света, что экспериментально обнаруживается в виде серий атомного спектра. Значения п и т в уравнении соответству­ют значениям главных квантовых чисел, с которых электрон перехо­дит (т) и на которые электрон пе­реходит (п).Теория Бора позволила рассчитать энергию электронов, значения квантов энергии, испускаемых при переходе электрона с одного уров­ня на другой. Теория Бора получила экспе­риментальное подтверждение, но она не смогла объяснить пове­дение электрона в магнитном поле и все атомные спектральные линии. Теория Бора оказалась не­пригодной для многоэлектронных атомов. Возникла необходимость в новой модели атома, основанной на открытиях в микромире.

Уравнение Бора E=h*v где h- постоянная Планка (6.626*10-34) v=с/λ, с –скорость света λ-длина волны.

Вопрос 3. Квантово-механические представления об атоме.

В 1905г. А.Эйнштейн предсказал, что любое излучение представляет собой поток квантов энергии, называемых фотонами. Из теории Эйнштейна следует, что свет имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. В 1924 г. Луи де Бройль (Франция) выдвинул предположение, что электрон также характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом. Позднее это было подтверждено на опытах по дифракции на кристаллах. Де Бройль предложил уравнение, связывающее длину волны λ электрона или любой другой частицы с массой m и скоростью v, λ=h/(m*v). Волны частиц материи де Бойль назвал материальными волнами, Они свойственны всем частицам или телам, но как следует из уравнения

λ=h/(m*v) для макротел длина волны настолько мала, что в настоящее время не может быть обнаружена.