часть 1 (Ф. Коттон, Дж. Уилкинсон - Основы неорганической химии (PDF)), страница 2

Несмотря на малую вероятность того, что такие объяснения могут быть сфориулировайы строго илн полностью в ближайлпем будущем, тем ие менее даже пробные толкования, которые являются частью современной ..имической теоркн, основаны па праде~явлениях об Оомпой структуре, Работа Резерфорда [19П) по рассеянию веществом а.частиц (ядер атомов гелия) показала. что в положигельио заряженном ядре в очень малом объеме сосредоточена почти вся масса атома.

По современным оценкам радиус ядра составляет - 1О "' ель Одяако иа основании целого ряда данных кзвестио, что радиусы атомов пвпмерио равны 1О ' см, т. е. порядка одного аигстрема. Таким образом, атом состоит из группы электронов, распределенных в шаре диаметром несколько ангстрем, и плотного положи~ельно заряженного ядра, расположенного в центре шара [1). За исключением изотопных эффектов легких атомов, ядро оказывает незначительное влияние на химическое поведение атома; кроме того, оно определяет число электронов, окружающих ега, Однако некоторые спектральные методы, особенно ядерный маг.

нитный резонанс, зависят ат специфических свойств ядер, таких, как магнитный момент н спин. Поскольку химические свойства атомов и молекул зависят поч~п нскл|очительно ат строения электронных оболочек„ а не от ядра, желательно начать рассьютрение неорганической химии с краткага изложения некоторых основных фактов и принципов, касающихся электронной структуры атомов. Примерно в начале этого века при исследовании излучения раскаленных тел, испускания электронов с поверхности под действием излучения (фотоэлектрический эффект) и позднее, прн ис. следовании атомных спектров, физики сделали ряд открытий, ЭЛРКТРОННОВ СТРОЕНИЕ ХТОМОВ ГЛ <Вх зг кзпорысзасзанилп ил ззрззйтзз к вьаоду, что для явлений атолзззьзх и с1Г<зззолз<зых масппабав энергия меняется ие непрерьшно.

Энергия жзжсг принимать татька определенные значения, которые являются ззс.зьзлззз кратпылш числами основных единиц, названных квавтамп. '1,<кп» образом, энергии гпнх систелз, как говорят, кваптуются. 11резставлеиис. а квантовании эззерззззз была ВПЕрвые ПРсдложепо 11лапко» н позже, в связи с объяснением фотоэлектрического эффз з.зи, Эйнштейнам. Б результате их работ получено фундамептальп<х. соотношение между частотой света с н энергией Б фотона в ьопзром энергия выражается в ар<ах, частота — в герцах, а коэффициент пропорциональности (з, называемый постоянной Планка, п»сет значение 6,6256 1О "эрг еек.

Очень важный физический смысл лежит в основе уравнения 11,1). Хотя хорошо известно, что свет ооладает залповыми свойстЗ<а»И И ВО МНОГИХ СЛуЧВЯХ ЗЗУЖЗЗО У<ЗИТЫВВТЬ <!ГО ВОЛНОВай кар,пыер, при рассмотрении атомных процессов, в которых ои возпикает нли поглощается, его следует считать потоком энергетн*зсских пакетов, или квантов, каждый из которых имеет энергию, определяехзую уравнением (1. !), В соответствии с часчатой ч. Таким < <разом, если атом испытывает переход, освобождающий некоторое з.о зичество энергии Е, то всегда появляется олин квант света с час«наи Б (з, а ие два кванта с разными частотами н энергиями, дазощнми в сумме соответствующее общее количество энергии. Справед.знва я обратное положение: если атом поглощает лучистуза энергию и совершает переход, сопровождающийся увеличением ега энергии па вели зину Б, то будет поглощен только адин квант света частатьз з* 1з, а це два или более квантов с разнымн тзастотамзз, даже если аз<цзпп нескольких квантов в целом составляют Б.

Эти простые факты позволяют по частотам нзлученного яли поглощенного света сделать непосредственно вывод а различии мезкду энергетическими состояниями атома нли хюлекулы, !.1. Теория сгроенни атомов Бора Кульминацией развития идеи квантования до появления валионой механики была теория атома Вора. Пастулируя, что угловой момент электрона, двгакущегося вокруг ядра, может принимать т<злько такис значения, которые являются целыми кратнымн )з/2л (а именно зз(з|2п, где й — постоянная Планка), а в остальном используя только простые соотнщпения из классической механики, Б<з(з полу пзл уравнения (!.2) и (!.3) соответственно для радиуса н энергии электрона на его разных орбитах вокруг ядра: сл Г= Пт л свпзтзез с ' (1.2) (!.3) Б этих уравнениях Б — заряд ядра в атомных единицах (У= 1 для Н), 12 — постоянная Пгзанка, е — заряд элекзрана, а р — приведенная лзасса " электро<и (почти равна зп — действительной массе электрона), Число п, введеззное для того, чтобы проквантовать угловой момент, называют квпятавы<и числом.

Множитель а, который представляет СОГюй радиус наиболее стабильной орбиты (п=1) атома водорода, называют бороеекихз ридиргом. Он равен 0,529 Л, в атомной физике его часто используют в качестве единицы длины. Величина т<', называемая ридбергои или поспзоянио<1 Ридберга, как видно, является произведением основных констант. Теория Бора находилась в замечательном согласии со многими экспериментальными фактами н впервые дала удовлетворизельнае объяснение линейчатых спектров атомов (ср. рис, 1.5, стр.

28). Например, при помощи уравнения (1.3) можно было легко нычнслить эиергюо, неабходимуза для наннзации атома в его основном состоянии, т. е. для того, чтобы удалить электрон от протона на бесконечно большое расстояние, Эта энергия просто равна зт, и на рнс. !.5 она показана стрелкой, помеченной буквой з, которая является обычным обозначением энергии ноиизации.

Значение, вычисленное таким образом, находится в хорошем согласии с экспериментально устаноаленньзм. Более того, предполагая, что атом водорода, характеризуемый в некотором данном состоянии значением и, равным и', может перейти в другое состояние, которое характеризуется тз', либо поглощая энергию (если п" > и'), либо излучая ее (если и" ='п'), Бор смог рассчитать частоты всех линий, наблюдаемых в спектрах поглощения и излучения атома водорода, используя уравнение (!.3) с )<з, вычисленной по значениям фундаментальных констант, через которые выражека эта постоянная. Каждая постоянная была измерена независимо. На рис.

! .5 стрелки зюказывают несколько переходов, обусловливающих харашо известные линни в спектре испускания водорода. Как ни замечателен был успех теории Бора (которая была улуч,пена Зоммерфельдом так, что стало возможным рассматривать как эллиптические, так н круговые орбиты), скоро стало очевидным, что Основное представление об электроне как о маленькой заряженной частице, подчиняющейся тем же законам (за нскгночениевз квантового ограничения, налаженного на его угловой момент), каким " Бели <ЗЗ вЂ” лзассс зарх, то 1<=ззззц,'(за+М). электган1чои стгаснив хчамов глнзл гв подчини!о!си ыакроскоппческпс чела, неверно.

Поэтому теоретическая физика занялась |виском новых форы механики, применпчюй к атомным и субатоыиыы явлениям. 11ачало ВОлнОВОЙ ыоханннп Основная идея во.шовой механики заключается в тоы, 1то для таких малых тсн, кзк электрон, нельзя с определенностью сказать (как это делал Бор), где опо находится и данное время и кудз направляетсн.

й!алчна установигь только относичсльп) ю вероятность его нахождения в том или ином месте и наличие определенно~ о количества движения в определенный момент времени. Как может показаться на первый взгляд, это создает некоторую неопрсделенвость, ио в действительносли мого вполне достаточно, чтобы рас. сматрьвать проблемы атомной н ыолекуляриои струит) ры, Ограничимся толька той стороной волновой механики, а именно тай частью теории, которая имеет дело со сшш!покорными соспюянпямп. Стационарным состоянием является такое, которое продолжает существовать в ~ечеиие длительного времени, если только оио не подвергается внешнему воздействию.

Энергетические состояния атома водорода являются стационарнымн состоя ииями такой системы. В соответствии с волновой механикой какая-,чнбо система— атом, молекула, электрон в свободном пространстве и т. д.— описывается фрнкннеи еоенюяния, нли волновой фрна)иен, обозначаемой чр, которая являечся функцией координат всех частиц, образующих эту систему. Следовательно, величина ф зависнг только от положения всех чаглиц в пространстве. В дальяейшем будет обсужден фн. знческий смысл величины ф.

Чтобы понять, почему ч1 называют волновой функцией и почему волновая механико предполагает, что нельзя точно определить положение электрона, следует рассьютреть некоторые открытия в физике, которые были сделаны накануне того, как волновая меха- пика была сформулирована физиком Эрвином Шредингером. В !924 г, де Бройль предположил, чта точно также, как свет, когарый, как обычно считают, имеет волновую природу, иа самом деле при определенных обстоятельствах ведет себя так, как будто оп состоит из частиц (квантов, упоминавшихся выше), так н очень малые частицы, такие, как электроны, также ыагут обладать вачповыми свойствами.

г!а основании определенных теоречических сааб. ражепий де Бройль вынужден был предположить, гго с пучком электронов следует связывать длину волны. определяемую урав- нением где )ч — снова постоянная Планка, а р — количество движения электрона в пучке, т, е. сга масса, умноженная па ега скорость. Физическое подтверждение волновая природы электрона было продемонстрировано в !927 †!928 гг. Дейвиссаном, Джермером я Томсоном, которые показали, чча ну юк электронов может испытывать дифракцию на подходящсн решетке (атомы в кристалле зола. и), аналогичну~о дифракшш пучка света. Точ факт„что спсшыы чалых частнп проявляют, по крайней мере прн определенных условиях, волновые свойства, предполагает возможность описания таких систем уравнениями, подобнымн тем, которые, как известно, описывают другие виды волнового движения, например волны, которые распрострапя!отея вдоль колеблющейся с~руны, или волновое движение, приписываемое электромагнитному излучению.