Ю.М. Коренев, В.П. Овчаренко - Общая и неорганическая химия (1114428), страница 5
Текст из файла (страница 5)
студенты Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсденпроводили эксперименты по бомбардировке α-частицами тонкихметаллических пластинок. Они обнаружили, что большинство α-частицпроходят через фольгу, не изменяя своей траектории. И это былонеудивительно, если принять правильность модели атома Томсона.Удивительным было как раз то, что некоторые частицы отклонялись отпервоначальной траектории и к всеобщему удивлению примерно 1 из20 000 α-частиц отклонялась на угол близкий к 180°, т. е. отскакивалаобратно (см.
рис. 1).Из результатов этого эксперимента можно было сделать следующиевыводы:1) в атоме есть некоторое «препятствие», которое было названо ядром;2) ядро имеет положительный заряд (иначе положительно заряженныеα-частицы не отражались бы назад);3) ядро имеет очень маленькие размеры по сравнению с размерамисамого атома (лишь незначительная часть α-частиц изменяла направлениедвижения);4) ядро имеет большую массу, по сравнению с массой α-частиц.Эксперименты по рассеянию α-частиц позволили также оценитьразмеры ядер и атомов:- ядра имеют диаметры порядка 10–15 – 10–14 м,- атомы имеют диаметры порядка 10–10 м.Для объяснения полученных результатов Резерфорд выдвинул идеюпланетарного строения атома.
Он рассматривал атом как подобиеСолнечной системы: в центре – ядро, содержащее основную массу и весьположительный заряд атома, а вокруг, по разным орбитам, вращаютсяэлектроны. Эта модель довольно хорошо объясняла накопившийся к томувремени экспериментальный материал, но страдала двумя недостатками:1) В соответствии с уравнениями классической электродинамикизаряженная частица, движущаяся с ускорением (а электрон в атомедвижется с центростремительным ускорением), должна излучать энергию.При этом потеря энергии должна приводить к уменьшению радиуса орбитыи падению электрона на ядро.2) Непрерывное изменение траектории электрона должноспособствовать и непрерывному изменению частоты излучения и,22Строение атомаследовательно, непрерывному спектру испускания.
Но экспериментыпоказывали, что спектр испускания водорода, а также других атомов,находящихся в газообразном состоянии, состоит из нескольких полос, т. е.имеет дискретный характер.Выход из создавшегося положения был найден в 1913 году датскимфизиком Нильсом Бором, который предложил свою теорию строенияатома. При этом он не отбрасывал полностью прежние представления опланетарном строении атома, но для объяснения устойчивости такойсистемы сделал предположение, что законы классической физики не всегдаприменимы для описания таких систем, как атомы, и сформулировал двапостулата.Первый постулат Бора.
Электроны могут вращаться вокруг ядра построго определенным стационарным орбитам, при этом они не излучают ине поглощают энергию.Второй постулат Бора. При переходе с одной орбиты на другуюэлектрон поглощает или испускает квант энергии.Бор предположил, что момент импульса для электрона в атоме можетпринимать дискретные значения, равные только целому числу квантовhдействия, что математически может быть записано так:2πnh,(7)mvr =2πгде m – масса электрона, v – линейная скорость его вращения, r – радиусорбиты, n – главное квантовое число, принимающее целочисленныезначения от 1 до бесконечности, а h = 6,625 ⋅ 10–34 Дж/с – постояннаяПланка. Уравнение (7) представляет собой математическое выражениепервого постулата Бора.Энергия электрона на соответствующей орбите определяетсявыражением:2π 2 me 4E=− 2 2 .(10)n hВ этом уравнении, все величины, кроме n, являются константами.Таким образом, энергия электрона в атоме определяется значениемглавного квантового числа.
Для атома водорода при n = 1, E = 2,176 ⋅ 10–18Дж, или 13,6 эВ (1 электронвольт – это энергия, которую приобретаетэлектрон, проходя разность потенциалов в 1 вольт, и равна 1,6 ⋅ 10–19 Дж).Используя приведенные выше уравнения, Бор рассчитал спектризлучения атома водорода.В атоме водорода электрон имеет минимальную энергию на первойорбите. Такое состояние электрона называется основным, или невозбужденным. Если этому электрону сообщить достаточную энергию, тоон может перейти на другую орбиту с большим радиусом, например наорбиту № 2, 3 и т. д., в зависимости от сообщенной энергии.
Такое23Глава IIсостояние называется возбужденным, оно является неустойчивым.Электрон может находиться на этих орбитах непродолжительное время, азатем переходит на другую орбиту с меньшей энергией, в конечном итогевозвращаясь в основное состояние. При этих переходах происходитиспускание энергии в виде электромагнитного излучения.В 1900 г. Планк предположил, что излучение и поглощение энергииможет происходить только строго определенными порциями, названнымиим квантами. Частота излучения связана с энергией уравнением:hc,(11)λгде c – скорость света в вакууме равная 3 ⋅ 108 м/с. Поэтому частота этогоизлучения зависит от разности между энергиями уровней (∆Ε ). Взависимости от длины волны λ это излучение может относиться кразличным областям спектра: рентгеновской, ультрафиолетовой, видимойили инфракрасной.
На рис. 2 схематически показаны переходы электрона ввозбужденном атоме водорода, которые вызывают излучение в различныхобластях спектра.E = hνилиE=Лайман76Бальмер543Пашен2n=1+БрэкеттПфундРис. 2. Электронные переходы в атоме водорода,соответствующие разным сериям.Расчеты Бора оказались в великолепном согласии с результатами,полученными экспериментально (см. табл. 6).Таблица 6Длины волн спектральных линий в серии Бальмера (видимая область)λ, нм(эксперимент)λ, нм(расчетные)24Строение атома656,466486,271434,171410,291397,12656,47486,28434,17410,293397,123При детальном изучении спектральных линий оказалось, чтонекоторые из них представляют собой не одну, а несколько близкорасположенных линий.
Это указывало на то, что существуют различныеорбиты, на которых электроны имеют близкие значения энергий. Дляобъяснения этого факта Зоммерфельд предположил, что электроны могутвращаться не только по круговым, но и по эллиптическим орбитам.Однако теория Бора не являлась универсальной. С ее позиций нельзябыло описать поведение атома водорода в магнитном поле. Не удаетсятакже объяснить образование молекулы водорода, возникаютнепреодолимые трудности принципиального характера при описаниимногоэлектронных атомов. Боровская теория в химии практически неиспользуется.Указанные трудности можно преодолеть, если подходить к описаниюстроения атома с позиций более широкой теории – квантовой механики,рассматривающей поведение частиц в микромире. Законы, которыеописывают явления, происходящие в микромире, существенно отличаютсяот законов, описывающих поведение макротел. Квантовое число n, котороебыло искусственно введено в теории Бора, оказывается с точки зренияквантовой теории неизбежным следствием более общих законов.Двойственная природа микромира была впервые установлена длясвета.
С одной стороны, для света характерны такие явления какинтерференция и дифракция, которые могут быть объяснены только спозиций его волновой природы. С другой стороны, явление фотоэффекта спозиций этой теории описать невозможно. Это можно сделать,предположив для света корпускулярную (от лат.
corpusculum – частица)природу. В 1905 г. Эйнштейн высказал мысль, согласно которой светиспускается в виде частиц, названных фотонами или квантами. Каждыйфотон обладает энергией, определяемой уравнением (11).Из корпускулярной природы света следовало, что фотоны должныобладать определенной массой. Масса покоя фотона равна нулю, а придвижении фотон приобретает динамическую массу.
Для вычисления этоймассы Эйнштейн предложил уравнение эквивалентности массы и энергии:E = mc2.Объединяя уравнения (11) и (12) получим:m=h;λcp = mc =или25(12)hλГлава IIλ=h,p(13)где p – импульс фотона.В 1924 г. французский физик де Бройль исходя из представления одвойственной природе микромира, предположил, что электрон имеетопределенную длину волны, которая укладывается на орбите целое числораз. Это означает, что 2πr = nλ.Предположение де Бройля в 1927 году получило экспериментальноеподтверждение. Американские физики Девисон и Джермер наблюдалидифракцию электронов на кристаллах хлорида натрия.В теорию Бора принцип квантования был введен произвольно.
В ней восновном использовались законы классической механики. Открытиеволновых свойств электрона, фотоэффект, опыты с абсолютно чернымтелом привели к созданию нового раздела физики – квантовой механики.Большую роль в ее создании сыграли Э. Шредингер и В. Гейзенберг.Квантовомеханическая модель атома не такая наглядная, как модель,предложенная Бором, а математический аппарат квантовой механикинесравненносложнее.Поэтомуосновныеположенияквантовомеханической модели строения атома будут рассмотрены чистокачественно, без использования математического аппарата. Многое из того,что будет изложено в следующем разделе, читателю придется принять «наверу», без доказательств. Квантовые числа будут просто введены дляописания поведения электрона в атоме, в то время как они являютсяследствием решения уравнения Шредингера.2.2.
Квантовомеханическая модель строения атомаГейзенберг указал на принципиальные различия в наблюдении замикро- и макрообъектами. Наблюдение за любым объектом, в принципе,сводится к двум случаям:1) Объект сам подает какие-либо сигналы. Например, шум отработающего двигателя, тепловое излучение и т. п.2) На наблюдаемый объект оказывается какое-то воздействие,например, облучение светом, радиоволнами и т. п., и регистрируетсяотраженный сигнал (как это широко используется в радиолокации, вэхолокации).
Причем, чем сильнее воздействие на наблюдаемый объект,тем сильнее (при прочих равных условиях) отраженный сигнал и надежнеерегистрация объекта.Если ведется наблюдение за привычными для нас макрообъектами, тодействие на них электромагнитного излучения (свет, радиоволны и т. д.) неизменяют ни их положения, ни их скорости. Совершенно иначе обстоитдело при наблюдении объектов микромира, например, электронов. Придействии кванта света на электрон скорость последнего не остается безизменения. Поэтому, определив при действии фотона положение электрона26Строение атомав какой-то момент времени, мы не в состоянии в это же мгновениеопределить его скорость – она уже изменилась.Гейзенберг предложил соотношение, которое получило название«соотношение неопределенностей»:h,(14)2πгде ∆p – неопределенность в значении импульса частицы, а ∆x – неопределенность в ее координатах. Из этого соотношения следует, что чемточнее определены координаты электрона, тем с меньшей точностью будетопределен его импульс и наоборот.
Иными словами, говорить о траекторииэлектрона не имеет смысла, так как для описания последней необходимоточно знать и координаты электрона и его импульс в каждый моментвремени (что было заложено в модель атома Бора). Соотношениенеопределенностей показывает, что столь точное описание движения такоймаленькой частицы, как электрон, невозможно, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
