Спектры излучения и поглощения. Главное квантовое число

Электронное строение атома

Около, двух с половиной тысяч лет древнегреческий философ Демокрит высказал мысль о том, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших невидимых и неделимых частиц - атомов.

Из атомов, как из своеобразных кирпичиков собираются молекулы: из одинаковых атомов - молекулы простых, веществ, из атомов различного вида -молекулы сложных веществ.

Уже в конце девятнадцатого века наукой установлено, что атомы - частицы далеко не "неделимые", как представляла древняя философия, а, в свою очередь, состоят из ещё более мелких и, если так можно выразиться, ещё более простых частиц. В настоящее время с большей или меньшей достоверностью доказано существование уже около трех сотен элементарных частиц, входящих в состав атомов.

Для изучения химических превращений в большинстве случаев нам достаточно указать три частицы, входящие в атом: протон, электрон и нейтрон.

Протон представляет собой частицу массой условно принятой за единицу (1/12 массы атома углерода) и единичным положительным зарядом. Масса протона – 1,67252 х 10^{-27 кг}

Электрон - частица с практически нулевой массой (в 1836 раз меньшей, чем у протона) и единичным отрицательным зарядом. Масса электрона – 9,1091х10^{-31 кг.}

Нейтрон, представляет собой частицу с массой практически равной массе протона, но не имеющую заряда (нейтрален). Масса нейтрона – 1,67474 х 10^{-27 кг.}

Современная наука представляет атом, устроенным приблизительно, также как утроена наша солнечная система: в центре атома находится ядро (солнце), вокруг которого на относительно большом расстоянии вращаются электроны (как планеты вокруг солнца). Эта "планетарная" модель атома, предложенная в 1911 году Эрнестом Резерфордом и в 1913 году уточнённая постулатами Бора, сохранила своё значение до настоящего времени.

В ядре, состоящим из протонов и нейтронов и занимающем очень малую часть объема атома, сосредоточена основная масса атома (масса электронов в химических расчётах атомных и молекулярных масс обычно не учитывается).

Число протонов в ядре определяет вид атома. Всего сейчас открыто более ста видов атомов, которые и представлены в Таблице элементов под номерами, соответствующими числу протонов в ядре.

Простейший атом содержит в ядре всего один протон: это атом водорода. Более сложный атом гелия имеет в ядре уже два протона, третий (литий) - три и т.д. Определённый вид атома называется элементом.

Спектры излучения и поглощения. Главное квантовое число

Согласно планетарной модели строения атома в центре атома находится ядро, содержащее протоны и нейтроны и сосредоточивающее, таким образом, фактически всю массу. Число протонов определяет вид атома а также его порядковый номер в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (при записи элемента число протонов указывается перед буквенным символом элемента внизу).

Вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Число электронов атома равно числу протонов в ядре, так что в целом атом электронейтрален.

Согласно такой Резерфордовской модели атома электрон, вращаясь вокруг ядра, должен излучать энергию и, с каждым оборотом теряя её, упасть на ядро. Это излучение должно быть непрерывным, т.е. спектр излучения атома должен быть сплошным. Представление о такого рода (сплошном) спектре может дать разложение солнечного света призмой на плавно переходящие друг в друга цвета радуги.

Однако уже в конце Х1Х века было экспериментально доказано, что спектры излучения атомов (в газообразном состоянии) не сплошные, а состоят из ряда чётко фиксированных полос ("полосатый" спектр).

Кроме того, данная простейшая модель не могла объяснить устойчивости (долгоживучести) атома: электрон, теряя энергию в форме электромагнитного излучения, должен был упасть на ядро (согласно простейшим расчётам в течении 10 секунд).

Эти два основных противоречия модели Резерфорда были устранены постулатами Бора (1913 год), согласно которым допускалось что:

1. В атоме имеются орбитали, находясь на которых, электрон не излучает и не поглощает энергию (так называемые стационарные орбиты).

2. Поглощение или выделение энергии происходит только как следствие перехода электронов с одной стационарной орбиты на другую стационарную. Поглощение - при переходе с ближайшей к ядру орбиты на более отдалённую; излучение – наоборот, при переходе с отдаленной на ближайшую.

Приравнивая математические выражения для центростремительной силы вращающегося вокруг ядра электрона силе электростатического притяжения электрона к ядру, и, учитывая уже известные положении квантовой механики о том, что энергия излучается не непрерывно, а определенными порциями (квантами), Бор рассчитал для простейшего атома (водорода) радиусы дозволенных такой теорией (стационарных) орбит и величины энергий электрона на каждой из таких электронных орбит (слоев). Радиус ближайшей к ядру стационарной орбиты водорода, согласно расчёта, оказался равным 0,053 нм, т.е. R = 0,053^.10^{-9 м.}

Стационарные орбиты расположены вокруг ядра слоями. Для обозначения номера слоя, в котором находится данный электрон, введено первое или главное квантовое число.

Общее буквенное обозначение главного квантового числа - n. Условно принято обозначать стационарные орбиты порядковыми числами от 1 до бесконечности. Таким образом, главное квантовое число обозначает номер электронного слоя, в котором находится интересующий нас электрон.

n = 1, 2, 3, ... ∞.

Для обозначения главного квантового числа используют заглавные латинские буквы: K, L, M, N, O, P, Q.

Если мы говорим, что для данного электрона главное квантовое число равно единице (n = 1), то с физической точки зрения это равносильно утверж­дению: данный, электрон находится в первом (наиболее близком к ядру) электронном слое.

Естественно, чем дальше тот или иной электронный слой от ядра (больше значение n), тем больше размер (радиус) этого слоя.

Радиусы стационарных орбит атомов оказались пропорциональны квадрату главного квантового числа (номера слоя):

R = An²

Принимая во внимание, что электроны в столь маленьком пространстве движутся с огромной линейной скоростью (около 260 тыс. км/с), близкой к скорости света (300 тыс. км/с), электронный слой можно представить себе в форме электронного облака, то есть размытого электроотрицательного поля.

Согласно постулатам Н. Бора электрон, вращаясь по стационарным орбитам, не излучает и не поглощает энергии и только переход его с одной орбиты на другую вызывает изменение его энергии, т.е. излучение или поглощение. Переход из отдалённого слоя в более близкий к ядру слой вызывает излучение энергии, напротив, получив энергию из вне (поглотив), электрон приобретает возможность перескочить на более удалённый уровень.