Корпускулярно-волновой дуализм

Атом - нейтральная частица, состоящая из положительного ядра и электронов. Химические свойства веществ определяются строением составляющих их атомов.

Резерфорд, пропуская поток a-частиц (ядер атома гелия He2+) через тонкий слой металла, обнаружил, что большая часть a-частиц проходит через металл, а меньшая часть - отклоняется. Резерфорд предложил планетарную модель атома: атом состоит из небольшого массивного и положительно заряженного ядра и электронов, которые вращаются вокруг ядра как планеты вокруг Солнца. Радиус ядра равен 10-14-10-15 м, а радиус атома 10-10 м.

По законам классической физики такой атом должен быть неустойчивым - электроны, вращаясь вокруг ядра, должны отдавать энергию и падать на ядро. Однако, атом стабилен. Значит, классическая физика неверно описывает свойства атомов. Почему?

Классическая физика различает и противопоставляет:

Физические тела, имеющие корпускулярные свойства. Например, мяч, автомобиль, Земля и т.д. имеют массу, скорость, траекторию движения, энергию и пр. и подчиняются законам механики Ньютона.

Излучения, имеющие волновые свойства. Например, свет характеризуется длиной волны, периодом, частотой колебаний, интерференцией, дифракцией и пр. Излучения описываются законами электромагнетизма Максвелла.

Экспериментальные факты указывают на неправомерность подобного разделения.

Эйнштейн (1905 г.) объяснил фотоэлектрический эффект, предположив, что свет состоит из частиц - фотонов, имеющих определенную энергию Е=h , где E - энергия фотона, h - константа Планка, h=6.625´10-34 Дж´сек.,  - частота колебания излучения. Таким образом, Эйнштейн допустил, что свет может проявлять не только волновые, но и корпускулярные свойства.

Девиссон и Джермер (1927 г.) обнаружили дифракцию электронов, доказав, что электроны (т.е. частицы) могут иметь волновые свойства.

Вопреки положениям классической физики экспериментальные факты указывают на корпускулярно-волновой дуализм материи, который состоит в том, что корпускулярные и волновые свойства не исключают друг друга. Каждый объект может иметь и волновые, и корпускулярные свойства.

Луи де Бройль (1924 г.) предложил формулу, связывающую волновые и корпускулярные свойства объектов:  = h/(mV) и означающую, что волна с длиной волны  соответствует каждому телу с массой m и скоростью V. Для света эта формула может быть выведена их уравнений Планка E=h=hc/ и Эйнштейна E=mc2. Откуда имеем: hc/=mc2 или =h/(mc), где с - скорость света. Поскольку атомы имеют размеры 10-10 м, то мы можем наблюдать и фиксировать волны с длинами волн более 10-10 м. Принимая скорость движения частицы V=1000 м/с, определим массу частицы, для которой возможно наблюдение волновых свойств, по формуле =h/mV>10-10. Имеем: m<h/(V×10-10) и m<6.625´10-27кг. Отсюда следует, что, хотя волновые свойства существуют для всех объектов, но наблюдаться они могут лишь для микрообъектов, имеющих массы порядка массы атома и электрона.

Свойства материи характеризуются также принципом неопределенности Гейзенберга: (mVx) > h/2 или Vx×x>h/(2m), где m - масса частицы, x - ее координата, Vx - скорость в направлении x, а  - неопределенность, погрешность определения. Принцип неопределенности означает, что нельзя одновременно сколь угодно точно указать положение (координату x) и количество движения (mVx) частицы. Произведение неопределенностей координаты и скорости частицы всегда больше, чем h/2m. При этом, очевидно, что для объектов с большими массами m>>h/2 координата и скорость определяются достаточно точно, а для микрообъектов с массами того же порядка, что h/2, координата и скорость не могут быть определены сколь угодно точно одновременно, и для микрообъектов нельзя указать траекторию их движения.

Частицы с маленькими массами (атомы, ядра, электроны, молекулы) не являются частицами в понимании этого механикой Ньютона и не могут изучаться классической физикой. Они изучаются квантовой физикой. Согласно постулатам квантовой физики все свойства атомов (электронов) описываются волновой функцией, которую можно найти, решив волновое уравнение. Квадрат модуля волновой функции имеет смысл плотности вероятности нахождения частиц в данной точке пространства. Волновая функция зависит от целочисленных параметров - квантовых чисел - n, l, ml и ms. С их помощью мы будем изучать строение атома.

Квантовые числа

Главное квантовое число - n - принимает значения 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, соответствующие электронным уровням (слоям) K, L, M, N, O, P и Q.

Уровень - пространство, где расположены электроны с одинаковым числом n. Электроны разных уровней пространственно и энергетически отделены друг от друга, поскольку число n определяет энергию электронов Е (чем больше n, тем больше Е): E(n=1)<E(n=2)<... и расстояние R между электронами и ядром (чем больше n, тем больше R): R(n=1)<R(n=2)<...

Орбитальное (побочное, азимутальное) квантовое число - l. Число l - принимает значения в зависимости от числа n:

l = 0, 1,...(n-1). Например, если n = 2, то l = 0, 1; если n = 3,

то l = 0, 1, 2. Число l характеризует подуровень (подслой).

Подуровень (часть уровня) - пространство, где расположены электроны с определенными числами n и l. Число подуровней равно номеру уровня: первый уровень содержит один подуровень, второй - два и т.д. Подуровни данного уровня обозначаются в зависимости от числа l: s - если l=0, p - если l=1, d - если l=2, f - если l=3. Подуровни данного атома обозначаются в зависимости от чисел n и l, например, 2s (n=2, l=0), 2p (n=2, l=1), 3d (n=3, l=2), 5f (n=5, l=3) и т.д. Подуровни данного уровня имеют разную энергию (чем больше l, тем больше E): Es <Ep <Ed<... и разную форму орбиталей, составляющих эти подуровни: s-орбиталь имеет форму шара, p-орбиталь имеет форму гантели и т.д.

По законам квантовой физики мы можем указать не траекторию движения электрона, а место его наиболее вероятного нахождения. Поверхности, определяющие форму орбиталей, ограничивают пространство, в котором вероятность нахождения электрона составляет около 95%.

Магнитное квантовое число - ml - характеризует ориентацию орбитального магнитного момента, равного l, в пространстве относительно внешнего магнитного поля и принимает значения:

-l,...-1, 0, 1,...l, т.е. всего (2l + 1) значение. Например, если l = 2, то

ml = -2, -1, 0, 1, 2.

Орбиталь (часть подуровня) - это пространство, где расположены электроны (не более двух) с определенными числами n, l, ml. Подуровень содержит 2l+1 орбиталь. Например, d-подуровень содержит 5 d-орбиталей. Орбитали одного подуровня, имеющие разные числа ml, имеют одинаковую энергию.

Магнитное спиновое число - ms - характеризует ориентацию собственного магнитного момента электрона s, равного 1/2, относительно внешнего магнитного поля и принимает два значению: +1/2 и -1/2.