lection7 (1113305)
Текст из файла
Биологический факультет (Специальность биофизика)Факультет биоинженерии и биоинформатикиОбщая и неорганическая химия2005/2006ЛЕКЦИИЛекция 7. Строениеатома и Периодический закон.Химическая связьСтроение атома и Периодический закон [1]Возникновение понятия «квант» в науке. Квантовая теория излучения.Впервые понятие "квант" (порция) применительно к излучению былосформулировано Максом Планком в 1900 г. для создания теории излучения светанагретыми твердыми телами. Для начала попробуем разобраться, с какой цельюсоздавалась теория излучения и почему потребовалось делить излучение на порции.Демонстрация:Спираль обычной электрической лампы накаливания (на 220 В) может светитьсяразным цветом в зависимости от напряжения (В) – от красноватого при 7000С до белого при25000 С.
Если же изменять напряжение на электродах индикаторной неоновой лампы, топри напряжениях от 100 до 220 В розово-красный цвет излучения не меняется.В чем же причина разной зависимости излучения ламп от напряжения?Газоразрядные лампы, подобные использованной в эксперименте неоновой, былиуже известны в конце 19 века. Несколько раньше в практику лабораторий вошлиспектральные измерения. Некоторые газы светятся яркими цветами при пропусканиичерез них электрического тока, – это явление широко используется сейчас для рекламныхвывесок. При пропускании света, излучаемого газоразрядными лампами, через призму, онраспадается на ряд узких цветных полос.
Солнечный свет превращается после пропусканиячерез призму в радугу – набор плавно переходящих друг в друга цветов.Демонстрация:Похожую радугу можно получить с помощью призмы и от лампы накаливания.Такую радугу первооткрыватель явления И.Ньютон (17 век) назвал "spectrum" – видение(лат.).
Сейчас спектром принято называть любой график (или фотографию), на которомизображены длины волн и энергия излучения, соответствующая каждой волне. Цвета врадуге соответствуют определенным длинам световых волн. Человеческий глаз видит вдиапазоне волн примерно от 400 нм до 800 нм (1 нм = 10-9 м). Коротковолновый пределсоответствует фиолетовому цвету, длинноволновый – красному. Точные измеренияпоказали, что и солнце, и спираль лампы накаливания излучают невидимый глазом свет –с длинами волн меньше 400 нм (ультрафиолетовый) и больше 800 нм (инфракрасный).Лампа накаливания излучает энергию в широком диапазоне длин волн, причембольшая часть излучения приходится на тепловые (инфракрасные) волны.
Доля видимогосвета в общем потоке излучения такой лампы составляет не более 3%. Согласно теорииклассической физики, если энергия излучения непрерывна, то любое тело с температуройвыше абсолютного нуля должно излучать энергию и охлаждаться. Согласно той жеклассической физике, нагретая до 25000 С спираль должна в основном излучать видимый иультрафиолетовый свет. Это противоречие теории и эксперимента было устранено, когдаМ.Планк предположил, что свет может излучаться не непрерывно, а только порциями –квантами. Энергия каждой порции связана с длиной волны:E = hc/l,где h – постоянная Планка, с – скорость света, l – длина волны излучения.В результате для нагретых тел были получены теоретические графики зависимостиэнергии от длины волны при разных температурах, совпадающие с экспериментальными.1Согласно теории М.Планка, спектр излучения твердого тела будет казаться намнепрерывным из-за огромного числа близких по энергии квантов, в том числе и очень"слабых", возникающих при взаимодействии атомов и молекул.
Спектр излучениявозбужденного электричеством газа при небольшом давлении будет, наоборот,линейчатым, т.е. содержать не очень много различных по энергии квантов. Забегая вперед,скажем, что неон начинает излучать свет только в том случае, когда подводимая энергиястановится достаточной для электронных переходов в его атомах, причем дальнейшееувеличение энергии обычно не приводит к появлению переходов с большей энергией.Эксперименты показывают, что при увеличении давления возбуждаемого электричествомгаза в спектре его излучения за счет взаимодействия между атомами появляется все большеновых линий, и при высоком давлении газа спектр становится почти непрерывным.Теория Планка не могла объяснить, почему кванты излучения неоновой лампыостаются неизменными при значительном увеличении электрического напряжения, т.е.подводимой к излучателю энергии.
Оставались также необъяснимыми спектры излучениягазов и паров, которые, в отличие от спектров твердого тела, представляют собой не радугу,а набор отдельных узких ярких полос. Очевидно, что необходимо было найти законы, покоторым формируются кванты излучения в веществе. Когда система этих законов быласоздана в первой четверти нашего века, оказалось, что она позволяет объяснить ипредсказать не только происхождение квантов, но и химические свойства элементов.Строение атома. Квантовые числаЕще в 1865 г Николай Николаевич Бекетов [2] предположил, что атомы должнысостоять из более мелких частиц, вращающихся относительно друг друга [3].
Такоестроение, по его мнению, могло бы объяснить выделение энергии при химическихреакциях.После открытия электрона в 1897 г. Джозефом Джоном Томсоном [4] им же былапредложена первая атомная модель "пудинга с изюмом" – в положительную сферувкраплены электроны (1903 г.).В 1904 г. японский физик Хантаро Нагаока [5] предложил модель“сатурноподобного” атома, в котором электроны вращаются по кольцевой орбите вокругположительного ядра.Ученик Томсона Эрнест Резерфорд в результате знаменитых экспериментов порассеянию золотой фольгой a-частиц "разделил" атом на маленькое положительное ядро иокружающие его электроны [6]. Однако, согласно законам классической механики иэлектродинамики, вращение электрона вокруг ядра должно сопровождатьсяэлектромагнитным излучением с непрерывным спектром.
Это противоречило известным с1880 г. линейчатым спектрам газов и паров элементов.(Фрагмент из лекции 1):Предположим, что в начале XX века Э.Резерфорд (1871-1937) и его молодыесотрудники Ганс Вильгельм Гейгер (1882-1945) и Эрнест Марсден (1889-1970) получилидля своих экспериментов с рассеянием α-частиц компьтеризированную установку. Оналегко воспроизвела бы основной результат, что наиболее вероятный угол рассеяния αчастиц на золотой фольге толщиной 4*10–5 см составляет 0,870.
Для тех же чрезвычайноредких (1 из 20000 измерений) случаев рассеяния на угол более 900 согласно центральнойпредельной теореме теории вероятностей достоверность эксперимента составляет 3*10–2174(это не опечатка!); поэтому компьютер со стандартной программой без малейшегосомнения отбросил бы такие “случайные ошибки”. И осталась бы наука без планетарноймодели атома, по крайней мере на несколько десятков лет. Только великолепная интуицияРезерфорда позволила ему сделать вывод, что чрезвычайно редкие “случайные” результатыистинны, и на их основе изменить физическую модель атома (вместо “пудинга с изюмом”Дж.Томсона (1856-1940) подобие солнечной системы).2Противоречие разрешил ученик Резерфорда Нильс Бор [7] в 1913 г., разработавквантовую модель атома на основе квантовой теории излучения и поглощения света,созданной Максом Планком и Альбертом Эйнштейном.
При этом удалось объяснить ирассчитать теоретически линейчатые спектры испускания атомов водорода, а также сериилиний в рентгеновских спектрах элементов.Еще в 1885 г. швейцарский школьный учитель и одновременно доктор Базельскогоуниверситета Иоган Бальмер предложил простую формулу для расчета частот линийиспускания водорода в видимой области:n = R(1/k2 – 1/n2 )где n – частота, R – постоянная [3,29*1015 гц ],k = 2;n = 1,2,3,...Позже в инфракрасной области были обнаружены другие серии спектральных линийс k = 3,4,5.Бор выдвинул предположение, что атом водорода (система протон-электрон) можетнаходиться только в определенных стационарных энергетических состояниях (электрон –на определенных орбитах), причем одно из них соответствует минимуму энергии и являетсяосновным (невозбужденным).
Испускание или поглощение атомом энергии можетпроисходить, согласно теории Бора, только при переходах электрона из одногоэнергетического состояния в другое (с одной орбиты на другую). Для R в формулеБальмера Бор нашел следующее выражение:R = [(2π2me4)/(ch3)](1)где m и e – масса и заряд электрона, c – скорость света в вакууме, h – постоянная Планка.При этом Бор предсказал существование серии линий испускания вультрафиолетовой области (k = 1), которые затем были обнаружены в 1915 г. ТеодоромЛайманом.В терминах "стационарных электронных оболочек (орбит)" удалось нагляднообъяснить существование характеристического рентгеновского излучения для разныхэлементов, использованных в качестве анода в рентгеновской трубке.Рисунок 1.
Уровни энергии и переходы в атоме водорода [8]Впервые обнаруживший в 1910 г. характеристические лучи Чарльз Баркла (Англия)решил обозначить буквой K лучи с наибольшей проникающей способностью (наименьшейдлиной волны), оставляя другие буквы для для возможных лучей с большей и меньшей3проникающей способностью. Однако впоследствии удалось обнаружить только болеемягкие лучи, получившие обозначения L, M, N. В результате систематическихисследований рентгеновских спектров элементов Генри Мозли [9] (Англия) и ВальтерКоссель (Германия) предложили в 1914 г оболочечную модель строения атома.
Согласноэтой теории на каждой из оболочек может содержаться несколько электронов с примерноодинаковой энергией. Тогда появление серий рентгеновских лучей можно легко объяснитьпереходами электронов между оболочками:Рисунок 2. Появление серий излучения в рентгеновских спектрах [10].Благодаря исследованиям рентгеновских спектров Мозли сумел определить зарядыядер элементов и показал, что они равны их порядковым номерам в периодической таблице.Кроме того, он предсказал существование еще не открытых элементов с номерами 43, 61,72, 75.Теория Бора позволяла очень точно вычислить положение линий в спектреиспускания атомарного водорода. Однако она не могла предсказать соотношениеинтенсивностей линий даже в этой простейшей системе. Для систем, содержащих болееодного электрона, например атома гелия, теория Бора уже не давала точных значенийспектральных линий.
Поэтому в 1925-26 гг. Вернером Гейзенбергом (Германия) и ЭрвиномШредингером (Австрия) была разработана новая теория квантовой (волновой) механики.Основные положения квантовой механикиВероятность нахождения электрона в заданной точке пространства и его энергияописываются волновой функцией. Волновая функция для данного электрона такженазывается орбитальной волновой функцией. Область пространства, где данный электронможет находиться с достаточно высокой вероятностью, называется орбиталью.Согласно определению В.И.Пупышева [11], орбиталь – функция декартовыхкоординат электрона, т.е. вектора с координатами x, y, z, не имеющая самостоятельногофизического смысла. Смысл имеет лишь ее квадрат (а если волновая функция комплексна,то квадрат ее модуля), определяющий вероятность найти электрон в данной областипространства.Следует учитывать, что изображаемые в учебниках “орбитали” – графикиматематической функции для решения уравнения Шредингера в одноэлектронномприближении, но ни в коем случае не физический (материальный) объект.
Орбитали –математический уровень описания микрообъектов (см. лекцию 1).Для описания положения и энергии электрона в атоме используются четыреквантовых числа. Эти числа можно рассматривать как некие коэффициенты в решенияхважнейшего в квантовой механике уравнения Шредингера. Важно понять, что квантовыечисла в принципе невозможно описать никакими механическими и геометрическимианалогиями, поскольку постулаты квантовой механики не выводятся из законовклассической физики.4Главное квантовое число n эквивалентно квантовому числу в теории Бора.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
