Joomla Software solutions Template

Payday loan

1. ПРОТИВОРЕЧИЯ В ПЛАНЕТАРНИЯ МОДЕЛ НА АТОМА

През 1911 г. Ръдърфорд предупредил, че “въпросът за устойчивостта на така построения атом не бива да се поставя на обсъждане”. Предупреждението не било напразно: според законите на класическата физика планетарно построения атом би трябвало да е неустойчив – при движението си електроните би следвало да излъчват непрекъснато енергия, да доближават траекторията си до ядрото и накрая да паднат върху него. Такова излъчване на енергия би довело до получаване на непрекъснат емисионен атомен спектър, и би довело до разрушаване на атома.

Опитът обаче показва точно обратното:

1) Атомът е стабилна система.

2) Атомните емисионни спектри са линейни, т.е. имат прекъснат характер.

Тези експериментални факти, поставят под съмнение планетарния модел на Ръдърфорд, както изискват коренни промени в научните възгледи за свойствата, дори за самата природа на микрочастиците, в това число и електроните.

2. КВАНТОВА ХИПОТЕЗА . КВАНТОВ МОДЕЛ ЗА СТРОЕЖА НА АТОМА НА БОР

Няколко важни открития в областта на физиката довели до създаването на нов модел за строежа на атома.

През 1900г. немският физик Макс Планк изказал предположението, че енергията на електроните в атомите и молекулите може да заема само строго определени стойности. Атомите като цяло посредством електроните си могат да обменят(приемат или отдават) енергия само под формата на определени, неделими количества(порции), наречени кванти. Ето защо така предложената хипотеза от Планк е наречена квантова хипотеза.

През 1913г. датският физик Нилс Бор предложил нов модел за обяснение строежа на атома, на основата на квантовата хипотеза .

За да обясни стабилността на водородният атом като система, Нилс Бор изказва два постулата, които нямат теоретично обяснение и освен това са в противоречие със законите на класическата физика за макрокосмоса:

I постулат:

Електроните се движат около ядрото не по-какви да е, а по точно определени (разрешени) орбити или траектории с точно определена енергия. Колкото по-отдалечена от ядрото е орбитата, толкова по-голяма е енергията на електроните.

II постулат:

При движението си по всяка от тези орбити електронът не обменя енергия(нито излъчва, нито приема енергия). Енергия се излъчва само при преминаване на електрони от една по-външна към друга по-вътрешна орбита. При тези преходи(наречени емисионни) се отделя точно определена енергия, която отговаря на определена линия в прекъснатия емисионен спектър на атома.

Всяко преминаване на електрони от дадена по-външна към определена по-вътрешна орбита е свързано с излъчване на точно определена Е и очертаване на линия в електронния спектър на атома

Спектър на водородния атом - СХЕМА – ХИМИЯ 12 КЛАС –НЕМСКИ УЧЕБНИК

В случая Бор се възползва от теорията на Макс Планк, според която при поглъщането или излъчването на светлина, енергията се предава на известни порции, наречени енергетични кванти. Енергията на всеки квант ( Е ) е пропорционална на честотата (  ) на светлинното лъчене:

Е  =  h.                          , kaто  h  сe нарича kонстанта на Планк .

Или накратко казано: при поглъщане или излъчване на енергия от една атомна система, енергията се квантува. Тази идея дава и името на цялата теория - квантова теория за строежа на атома.

Квантовата хипотеза и моделът на Бор обясняват устойчивостта на атомите, като този период от развитието на знанията за микрочастиците се нарича класическа квантова теория.

3. ПРИНЦИП НА НЕОПРЕДЕЛЕНОСТТА

Като характеристика на движението по разрешените орбити, Бор въвел главното квантово число(n).  По-късно немският физик Зомерфелд (1916 г) предположил съществуването не само на кръгови, но и на елиптични орбити и въвел второ квантово число, което да характезира по-сложното движени на електрона – орбиталното квантово число(l). В теорията на Бор-Зомерфелд се предполагало, че е възможно да се определи положението и скоростта на всеки електрон, и да се проследи движението му по конкретна орбита.

Тези предположения се оказали обаче неверни. През 1927 г. немския физик Вернер Хайзенберг формулирал принципа на неопределеността. Според този принцип не е възможно да се определят едновременно и точно местоположението(координатите) на електрона и неговата посока и скоростта на неговото движение. Ако например в определен момент знаем къде точно се намира електронът, ние не можем да кажем нищо за посоката и скоростта на неговото движение. Или обратното, ако тези две величини са точно известни, в този момент ние изобщо няма да знем къде се намира елeктронът. Следователно принципът на неопределеността отхвърля възможността за съществуване на орбити(точни траектории) за движението на електроните в атомите. Това означава, че трябва да се откажем от представата, че електронът е частица, движеща се по определена траектория.

4. ВЪЛНОВ ДУАЛИЗЪМ- ЕЛЕКТРОНЪТ КАТО ЧАСТИЦА И ВЪЛНА.

През 1924 г. френския физик Луи дьо Бройл изказва твърдението, че всяко движещо се тяло трябва да се придружава от вълново движение. Оттук следва, че движещите се електрони трябва да имат вълнови свойства. Те трябва да дифрактират и да интерферират подобно на светлинните частици – фотоните. Тази теория, наистина е потвърдено експериментално само след година от опитите на двама американци – Девисън и Джермер, които доказват, че електроните действително могат да дифрактират.

Ето защо съвременната представа за електрона е за природен обект, който има двойствена(дуалистична) природа . От една страна той се отнася като частица(има маса и енергия), а от друга, се проявява като вълна (има определена дължина на вълната).

Представата за вълновите свойства на електрона води до нов подход при описанието на нейното поведение  в пространството. Вместо за положение на тази частица в пространството се въвежда вероятността за регистриране на нейните свойства в даден обем от него. Така представата за електрона като частица се заменя с нова представа за електронен облак , като се приема, че това е тази област от пространството, в която електроните могат да бъдат регистрирани с голяма вероятност.

5.СЪВРЕМЕНЕН (КВАНТОВОМЕХАНИЧЕН) МОДЕЛ ЗА СТРОЕЖА НА АТОМА. УРАВНЕНИЕ НА ШРЬОДИНГЕР. АТОМНА ОРБИТАЛА . КВАНТОВИ ЧИСЛА

След като е била установена вълновата природа на електрона за описанието на състоянието на електроните в атомите и в молекулите австрийският физик Ервин Шрьодингер предложил вълново уравнение, наречено по-късно на неговото име - уравнението на Шрьодингер. Съгласно уравнението на Шрьодингер състоянието на електрона(енергията и формата на електронната вълна) се описва чрез една вълновата функция, тъй като електрона има поведение на вълна.

Задачата за определяне състоянието на електроните(енергията и формата на електронната вълна)  в електронната обвивка математически е била решена първоначално само за Н-атом. Оказва се, че това е много трудна и не винаги решима задача, защото математическият вид на  уравнението на Шрьодингер е такъв, че то допуска безброй много решения. От тях обаче трябва да се подберат само тези, които имат реален физически смисъл, съобразен с вълновите свойства на електрона.

Следователно необходимо е задаването на ограничителни условия  . Това са така наречените квантови числа, като при комбинация на различни техни стойности се получават различните решения.

Прието е собствените вълнови функции, получени при решаването на уравнението на Шрьодингер за Н-атом да носят името собствени вълнови функции или АТОМНИ ОРБИТАЛИ .

Получаването на този набор от собствени стойности, който произтича от съблюдаването на ограничителните условия на вълновата функция е свързан с въвеждане на три КВАНТОВИ ЧИСЛА :

• главно – n=0,1,2,….

Главно квантово число - n : приема стойности на цели числа от 1, 2, 3 ... до . То е свързано с Е на електрона и размерите на електронния облак.

• орбитално – l=0,….n-1

Орбитално квантово число - l : приема стойности на цели числа от  0 до (n-1). . Преди всичко, обаче,  l  отчита различията във формата на електронните облаци. При  l = 0, електронните облаци имат форма на сфера и се наричат  s - облаци ; при  l = 1  формата е пространствена осморка и съответно облакът е p -облак; при  l = 2  - съответно пространствена четирилистна детелина и респективно  d - облак;  l = 3 -  f - облаци с по-сложна форма и т.н.

l =                       0                        1                            2                        3

буквено

означение               s                        p                            d                          f

Например записът:          1s - означава  n = 1     l = 0

2p         “           n = 2     l = 1

4f          “           n = 4     l = 3     и   т.н. 

• магнитно - m .

Магнитно квантово число  m: приема стойности на  l (респективно на  n) от  l  до  +l , включително  0, т.е. (2l + 1)-стойности.

То не е свързано с енергията на електрона, а отчита формата и ориентацията на електронните облаци в пространството.

АТОМНАТА ОРБИТАЛА ПАРАМЕТРИЧНО ЗАВИСИ ОТ СТОЙНОСТИТЕ НА ТРИ КВАНТОВИ ЧИСЛА

Всяка конкретна функция, решение на уравнението се означава така

 _{n, l, m (х, у, z)} и се нарича атомна орбитала. Атомни орбитали са напр. функциите    _{( 100 )},  _{( 200 )},  _{(210 )},  _{(211 )} (числата 100, 200, 210, 211  са стойности на квантовите числа n, l и m) и т.н..

При  n=1, l=0 и m=0 като решение се появява 1s  атомната орбитала.

Или  _{( 100 )} = 1s AO

При  n=2, l=0 и m=0 като решение се появява 2s  атомната орбитала.

Или  _{( 200 )} = 2 s AO

При  n=2, l=1 и m= -1,m=0, m=1 като решение се появяват трите 2p  атомни орбитали.

Или  _{(210 )} = 2 p _zAO ,   _{(21-1 )} = 2 p_x AO , _{(211 )} = 2 p_y AO

Необходимо е да се отбележи съществената разлика между квантовомеханичното понятие орбитала и  понятието орбита при модела на Бор.

Орбиталата не е реално съществуваща, а е математическа абстракция. Орбиталата е  математическо решение на уравнението на Шрьодингер. Тя е функция на пространствените координати, като параметрично зависи от трите квантови числа-m,n и l , което произтича при ограничителните условия на решението. Съгласно уравнението на Шрьодингер състоянието на електрона се описва чрез вълновата функция, тъй като електрона има поведение на вълна.

За разлика от орбиталата, орбитата при модела на Бор е реално съществуваща траектория, по която може да се движи електрона, тъй като той има поведение на материална частица .

В резултат на горе въведените квантови числа се оказва, че са разрешени само определени стойности на енергията  Е .На горните собствените вълнови функции или атомни орбитали съответстват собствени стойности на  Е, респективно -  енергията, съответстваща на 1s АО е най-ниска, следва енергията на 2s АО и така нататък.

Ето защо използването на уравнението на Шрьодингер води до въвеждането на разрешени състояния за разпределението на електронната плътност в електронната обвивка и до въвеждане представата за СЛОЕСТ СТРОЕЖ НА ЕЛЕКТРОННАТА ОБВИВКА. Въвеждат се електронните слоеве. Тези слоеве условно се отбелязват с концентрични окръжности:

Най-малка е  Е  на електроните в първия слой. Те се привличат най-силно от ядрото. Във всеки следващ слой  Е  нараства.

 Следователно състоянието на електрона в електронната обвивка се определя от неговата собствена енергия и една собствена функция на пространствени координати (наречена орбитала) , която дава възможност за определяне на разпределението на електронната плътност около ядрото.

6. ГЕОМЕТРИЧНОПРЕДСТАВЯНЕ НА РАЗПРЕДЕЛЕНИЕТО НА ЕЛЕКТРОННАТА ПЛЪТНОСТ. ЕЛЕКТРОНЕН ОБЛАК

Геометричното представяне на атомната орбитала е свързано със сериозни затруднения.

Оказва се , че собствената вълнова функция или атомната орбитала, може освен реална, да бъде дори имагинерна, което прави невъзможно да бъде изобразена.

Ето защо за описание състоянието на електроните в атомите, се използва не вълновата функция, а квадрата на вълновата функция,  която винаги е реална и изобразяването и е възможно.

Физичният смисъл на вълновата функция (F)се състои в това, че нейният квадрат(F²), дава вероятността електрон с координати x, y и z да се намери около атомното ядро. Нагледно тази вероятност се изобразява с електронен облак.

Ето защо е прието геометричната представа, съответсваща на квадрата на вълновата функция да се нарича електронен облак.

ЕЛЕКТРОНЕН ОБЛАК  Е ПРОСТРАНСТВЕНО ИЗОБРАЗЯВАНЕ НА КВАДРАТА НА ВЪЛНОВАТА ФУНКЦИЯ

Размерите на електронния облак би трябвало да са безкрайни. Прието е, обаче, с контур да се огражда основната част на облака, където вероятността за намиране на електрона е 90%. В този обем  90% от масата и заряда на този обект могат във всеки момент да се регистрират именно там. Това ограничение е съвсем изкуствено, но съществено следствие от него е, че така ограниченият облак има крайни размери.

Електронните облаци имат определена форма(сфера, пространствена осморка, пространствена детелина) и размери, а тези , които не са сферични – и определена ориентация  в пространството(виж фигурите по-долу).

Електронният облак е с различна плътност, което означава, че там, където облакът е по-плътен, вероятността за намиране на електрона е по-голяма и обратно.

Същевременно разпределението на елктронната плътност е такова, че електроните , заемащи състояния от 6 електронен слой(виж Тема 3), може с немалка вероятност да се регистрират и в непосредствена близост и до ядрото. Това е следствие от дуалистичната природа на този обект, в противовес с използваната представа за елктрона като частичка.

Електронният облак е пространствено тяло, а всички рисунки и схеми на електронни облаци са равнинен (планарен) разрез на тези тела, тъй като са опит за изобразяване в двумерното пространство.

Не бива да се забравя, че облакът не е образ на електрона, а само нагледна представа за вероятността за намирането на електрона в определена част от пространството около атомното ядро.

7. ПРОСТРАНСТВЕНО ИЗОБРАЗЯВАНЕ НА s, p и d-ЕЛЕКТРОННИТЕ ОБЛАЦИ

s- електронни облаци :

p-облака може да има три ориентации в пространството, тъй като при  p-облака стойността на  l = 1  и респективно  m  има три стойности  1, 0, +1 :

p_x(m =  1)                        p_y(m =  1)                         p_z(m = 0)

d-електронните облаци, които отговарят на стойност  l = 2  и респективно  m = 2, 1, 0, +1, +2 , т.е. има 5 ориентации в пространството, като тук има и различие във формата:

d_z (m=0)                            d_xz(m=1)                              d_yz(m=1)

d_xy(m=2)                        d_{x2 - y2} (m=2)

8.СПИНОВО КВАНТОВО ЧИСЛО. МАГНИТНИ СВОЙСТВА НА ЕЛЕКТРОНА

Решаването на уравнението на Шрьодингер не води непосредствено до въвеждането на четвъртото квантово число - спиновото число -  s . To се въвежда математически с оглед на това, че разумни стойности за вълновата функция се получават, когато  s  заема една от двете стойности  1/2 . Този подход до голяма степен лишава простата представа за електронния спин, като въртене окoло собствената ос, но по традиция това квантово число продължава да се нарича спиново.

Известно е, че ако една електрически заредена частица извършва такова въртене, то около нея възниква електромагнитно поле, характеризиращо се с определена насоченост на силовите линии. Следователно електронът притежава магнитни свойства и може да се разглежда като малко магнитче. За простота това магнитче, съответно спинът, се означава със стрелка

­                    или        , в съответствие с двете възможни посоки за въртене около

собствената ос. Магнитчетата, съответстващи на два електрона могат да се ориентират по два начина: 

          електрони с успоредни                       електрони с обратни

(паралелни) спинове            (антипаралелни)  спинове

В електронната обвивка на атомите електроните с обратни спинове са групирани в електронни двойки - наричат се още сдвоени електрони. В състояние на електронни двойки са по-голямата част от електроните в обвивката на атомите. Само малък брой електрони остават единични или несдвоени.

10май2009