Тема: Строение атома

Атомы элементов имеют очень сложное строение. В недрах атома найдено огромное множество частиц, названных элементарными.

Атом - наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств. Каждому химическому элементу соответствует совокупность определенных атомов. Атомы всех элементов состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Атомы элементов характеризуются атомной массой. За единицу атомной массы принята 1/12 часть атома углерода - 12 (изотоп ₁₂С). Эту единицу называют углеродной единицей.

Ядро занимает очень небольшую часть всего объема атома. Однако при этом почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, и поэтому плотность ядра чрезвычайно велика. Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые вместе взятые имеют название - нуклоны. Протон - устойчивая элементарная частица с массой, близкой к углеродной единице. Заряд протона равен заряду электрона, но имеет обратный знак. Если заряд электрона принять за -1, то заряд протона равен +1. Протон - это атом водорода, лишенный электрона. Нейтрон - нейтральная элементарная частица, масса нейтрона приблизительно равна массе протона. Число нуклонов в ядре определяет массу атома и называется массовым числом. Зависимость между числом протонов Z, числом нейтронов N и массовым числом атома А выражается уравнением: А = Z+N. Количество электронов в атоме равно количеству протонов в его ядре, поэтому заряд электронной оболочки компенсирует положительный заряд ядра.

Основные представления о строении атома основаны на квантовой теории, которая была разработана многими отечественными и зарубежными учеными. В основе квантовой теории лежит принцип неопределенности. Сущность его состоит в том, что отдельные события, в которых участвуют частицы (в том числе и электрон, ядра и атомные системы), можно предсказать лишь в смысле их вероятности. Основным уравнением квантовой теории является уравнение Планка: Е = hn, где Е - энергия (эрг (Дж)), h - постоянная Планка (6, 626-1 0"²⁷ эрг-с), n - частота (Гц). М. Планк высказал предположение, что вещества поглощают и испускают энергию дискретными порциями или квантами. Итак, энергия кванта Е пропорциональна частоте излучения n.

В 1905 г А. Эйнштейн предсказал, что любое излучение представляет собой поток квантов энергии, называемых фотонами. Из теории Эйнштейна следует, что свет имеет двойственную природу.

В 1924 г Луи де Бройль выдвинул предположение, что электрон также характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом. Де Бройль предложил уравнение, связывающее длину волны электрона (или любой другой частицы) с массой m и скоростью l=h/mu. Волны де Бройля интерпретируются как волны вероятности.

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. Атом водорода обладает минимальной энергией, когда электрон находится на первой орбите (n=1). Такое состояние называют основным. При переходе электрона на более высокие орбиты атом становится возбужденным. Такое состояние атома неустойчиво. Теория Бора позволила рассчитать энергию электронов, значение квантов энергии, испускаемых при переходе электрона с одного уровня на другой. Однако теория Бора имела ряд недостатков. Она не смогла объяснить поведение электрона в магнитном поле и все атомные спектральные линии. Теория Бора оказалась непригодной для многоэлектронных атомов.

Работы Планка, Эйнштейна, де Бройля, Бора, Шредингера и Гейзенберга заложили основу квантовой механики, изучающей движение и взаимодействие микрочастиц.

В соответствии с квантовомеханическими представлениями невозможно точно определить энергию и положение электрона, поэтому в квантовомеханической модели атома используют вероятностный подход для характеристики положения электрона. Вероятность нахождения электрона в определенной области пространства описывается волновой функцией Y, которая характеризует амплитуду волны как функцию координат электрона. В наиболее простом случае эта функция и называется орбиталью. Итак, орбиталь - это область пространства, в котором наиболее вероятно нахождение электрона.

Так как электрон несет отрицательный заряд, то его орбиталь представляет собой определенное распределение заряда, которое получило название электронного облака.

Квантовые числа

Для характеристики поведения электрона в атоме введены квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное и спиновое.

Главное квантовое число n определяет запас энергии электрона в атоме и размеры электронных орбиталей. Главное квантовое число принимает значение 1, 2, 3, 4, 5... и характеризует энергетический уровень. Чем больше п, тем выше энергия. Энергетические уровни обозначают буквами и цифрами.

Орбитальное квантовое число 1 определяет форму атомной орбитали. Электронные оболочки расщеплены на подоболочки, поэтому орбитальное квантовое число также характеризует энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальные квантовые числа принимают значение от 0 до (n-1). Подоболочки обозначают буквами:

Номер энергетического уровня и число подуровней совпадают.

Электроны с орбитальным квантовым числом 0 называются s-электронами. Орбитали и электронные облака имеют сферическую форму. Электроны с орбитальным квантовым числом 1 называются р- электронами. Орбитали и соответственно электронные облака имеют форму, напоминающую гантель: Электроны с орбитальным квантовым числом 2 называются d-электронами. Орбитали имеют четырехлепестковую форму.

Электроны с орбитальным квантовым числом 3 получили название f-электронов. Форма их орбиталей еще сложнее, чем форма d-орбиталей.

Магнитное квантовое число m_l характеризует пространственную ориентацию электронных облаков. Оно принимает любое целое значение от -1 до +1, включая 0. Например, для 1=3 магнитные квантовые числа имеют значения -3; -2; -1; 0; 1; 2; 3. Таким образом, в данной подоболочке (f-подуровне)существует семь орбиталей. Соответственно в подоболочке s (1=0) имеется одна орбиталь. Условно атомную орбиталь обозначают в виде клетки ٱ.

Спиновое квантовое число m_s характеризует вращение электрона вокруг собственной оси (спин). Величину и ориентацию спина определяет спиновое квантовое число, которое может принимать значения s и - s . Положительное и отрицательное значения спина связаны с его направлением. Так как спин -величина векторная, то его условно обозначают стрелкой, направленной вверх ­ или вниз: ¯. Электроны с одинаковым направлением спина называются параллельными, при противоположных значениях - антипараллельными. Два электрона с одинаковыми значениями n, 1, m_l, но с противоположно направленными спинами ¯­ называются спаренными, а с параллельными - неспаренными.

Распределение электронов в атомах элементов определяется основными положениями: принципом Паули, принципом наименьшей энергии, правилом Гунда и правилом Клечковского.

Принцип Паули.

В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. Другими словами, на одной орбитали не может быть двух электронов с одинаковыми спинами, то есть допускается заполнение ­¯ и не допускается ¯¯. Из принципа Паули вытекает следствие: максимально возможное число электронов на каждом энергетическом уровне равно удвоенному значению квадрата главного квантового числа: N = 2n².

Принцип минимальной энергии

Согласно этому принципу электроны в основном состоянии заполняют орбитали в порядке повышения уровня их энергии. Первыми заполняются орбитали с минимальными уровнями энергии. Так как энергия электрона в основном определяется значениями главного и орбитального квантовых чисел, то сначала заполняются те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел m и l является наименьшей.

Правило Гунда

Правило Гунда применяется при заполнении электрoнами энергетических подуровней. В данном подуровне электроны стремятся занять энергетические состояния таким образом, чтобы их суммарный спин был максимальным, суммарный спин спаренных электронов равен нулю.

Так, если в трех р — ячейках надо разместить три электрона, то каждый из них будет располагаться в отдельной ячейке следующим образом: