Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Количество вращающихся вокруг ядра электронов определяется порядковым номером химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева: в атоме водорода — один электрон, в атоме гелия — два и т. д. Движение электронов вокруг ядра происходит по строго определенным орбитам так, что на длине орбиты укладывается целое число длин волн, называемых волнами Де Бройля.
При этом условии на длине орбиты образуется стоячая волна и не происходит излучения электромагнитной энергии. В противном случае электрон будет терять свою энергию, радиус орбиты станет уменьшаться и в результате электрон окажется притянутым к ядру. Длину волны можно определить, приравняв выражения для импульсов (количества движения) электрона, исходя из его волновой и корпускулярной природы: 20 Глава 1. Элект физические свойства иоматериалов Возможные радиусы круговых орбит электрона в атоме водорода можно опреде- лить исходя из того, что центробежная сила уравновешивается силой кулонов- ского притяжения электрона к ядру: 4пеог где е,= 8,85 10 'г Ф/м.
Откуда получаем г 4пеа" (1.3) Значение лг о' найдем из (1.2), подставим его в уравнение (1.3), из которого получим уравнение для возможных радиусов круговых орбит в атоме водорода: лггггео тщ'гл (1.4) При и = 1 получаем г = 0,53 10 ' см. Находясь на какой-либо орбите, электрон обладает энергией, складывающейся из кинетической энергии движения электрона по орбите Е„и потенциальной энергии притяжения электрона к ядру Е„. Для атома водорода г Е =— к 2 (1.6) Подставляя в (1.5) уравнение (1.3), получаем: Е = —. г7 8пеог (1.7) Полная энергия электрона Е = Е„+ Е„= — — — = — —. г) г7 г7 8ява" 4лво~ 8пео~ (1.8) Подставляя (1.4) в (1.8), получаем: Е=- —,, лгг7 8 гьгеог ' (1.9) Подставив значения вг, г7, Ь и ео, получим: Е= — — ' 1эВ1.
13,6 и' В начальном,(невозбужденном) состоянии электрон в атоме водорода находится на наиболее близкой к ядру орбите и обладает энергией Е= -13,6 эВ. Путем внешнего энергетического воздействия он может быть переведен на более удаленную 1.1. Общие сведения о строении вещества орбиту. Такое состояние атома называется возбужденным„оно является неустойчивым. В любом атоме электроны стремятся занять наиболее низкие энергетические уровни, поэтому спустя некоторое время электрон вернется на первоначальную орбиту, выделив при этом квант энергии, равный разности соответствующих энергетических уровней. В многозлектронных атомах потенциальная энергия электрона зависит не только от его расстояния до ядра, но и от расстояний до каждого из остальных электронов, вследствие чего численные значения радиусов орбит и, соответственно, величины энергии не совпадают с численными значениями радиусов и энергии для атома водорода.
Вращение электронов в этих атомах может происходить как по круговым, так и по эллиптическим орбитам. Движение электрона по круговой орбите соответствует сферическому электронному облаку, а движение по эллиптической орбите — облаку в форме гантели. При этом электроны стремятся занять наиболее низкие энергетические уровни, но при условии, что на каждом энергетическом уровне находится не более двух электронов (принцип Паули). Чем больше электронов в атоме, тем более высокие энергетические уровни они занимают. Возможные энергетические состояния электронов характеризуют четырьмя квантовыми числами. Главное квантовов число и определяет радиус круговой орбиты или большую полуось эллиптической. Оно может принимать значение и = 1, 2, 3 и т.
д. Чем больше п, тем больше радиус орбиты и энергия электрона. Состояния электрона, определяемые главным квантовым числом, называют энергетическими уровнями. Орбитальное квантовое число 1 определяет малую полуось эллиптической орбиты. Оно может принимать значения! = О, 1, 2, ..., (и-1). Значение!= 0 соответствует круговой орбите. Энергетические состояния, характеризующиеся различными значениями 1, называют подуровнями. Значению 1 = 0 соответствует з-подуровень, значению!= 1 — р-подуровень, значению 1= 2 — г1-подуровенгь значению 1= 3 — (-подуровень. Магнитное квантовов число т определяет пространственную ориентацию эллиптической орбиты. Оно может принимать значения т = О, Ы, х2, ..., Н.
Каждому квантовому числу!соответствует (21+ 1) по-разному ориентированных орбит. При 1= 1 возможны три взаимно-перпендикулярных р-орбиты; орбитальному квантовому числу 1= 2 соответствует пять возможных пространственных ориентаций орбит, называемых б-орбитами; квантовому числу 1= 3 соответствует семь 1-орбит. Спиновов квантовое число в определяет момент количества движения электрона вокруг собственной оси. Вектор момента количества движения может быть параллелен или антипараллелен вектору орбитального момента.
Спин электрона равен половине постоянной Планка, поэтому он равен +0,5 или -0,5. Определим число возможных энергетических состояний на любом из энергетических уровней. На первом энергетическом уровне (и = 1) могут разместиться два электрона с противоположными спинами, что можно записать в виде 1з', где 1 — номер энергетического уровня, з — состояние электрона на этом уровне, 2 — количество электронов в данном состоянии. На втором энергетическом уровне (и = 2) в в-состоянии могут находиться два электрона (2з'), в р-состоянии— шесть электронов (2р'). На третьем энергетическом уровне (п = 3) в в-состоянии 22 Глава 1. Электрофизические свойства радиоматериалов могут находиться два электрона (Зв'), в р-состоянии — шесть электронов (Зр'), в с(-состоянии — десять электронов (36 и) и т. д. При рассмотрении структуры электронных оболочек конкретных атомов следует руководствоваться двумя принципами: а в атоме не может быть двух электронов с одинаковой комбинацией квантовых чисел; а в нормальном (невозбужденном) состоянии электроны занимают квантовые состояния с наименьшей энергией.
Проследим, как заполняются электронные оболочки атомов по мере роста порядкового номера химического элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева. В атоме водорода имеется один электрон на орбите 1в с произвольной ориентацией спина Его энергетическое состояние может быть записано так: 1в'.
В атоме гелия имеется два электрона с противоположными спинами. Его энергетическое состояние может быть записано так: 1в'. В атоме лития первая оболочка полностью заполнена электронами, поэтому третий электрон располагается на уровне 2в, в результате получается электронная конфигурация 1в'2в'. У бериллия структура оболочки имеет внд 1я'2в'.
У бора пятый электрон занимает состояние 2р, и структура принимает вид 1в'2в'2р'. У последуюших элементов происходит дальнейшее заполнение состояния 2р. У неона все возможные состояния 2р полностью заняты, и структура принимает вид 1в'2в'2р'. Аналогичным образом происходит заполнение электронных оболочек третьего периода периодической таблицы. Структура оболочек аргона, завершающего этот период, имеет вид 1в'2в'2рвЗв'Зр'. После заполнения уровня Зря электроны сначала заполняют состояние 4в, так как энергетический подуровень 4в расположен ниже подуровня 36, а затем состояния 34 и 4р.
Правило заполнения оболочек можно записать в таком виде: 1в'2в'2р'Зв'Зрв4в'3<Р4р'5в'4сР5р'6в'4Р45с(ибрк7в'. Атомы элементов каждой группы периодической таблицы имеют одинаковое строение внешних и достраивающихся подуровней. Это наглядно видно на при- мере элементов четвертой группы: ы углерод (С) — 1я'2в'2р', св кремний (51) — 1в'2в'2р'Зв'Зр' а германий (Се) — 1в'2в'2р'Зв'ЗрвЗ<Р4в'4р'. Периодическая повторяемость структуры внешних электронных оболочек обус- ловливает периодическую повторяемость химических свойств элементов.
Так, например, кремний и германий качественно обладают одинаковыми свойствами, различие состоит лишь в количественной оценке этих свойств. Химическая связь между атомами Под химической связью понимают взаимодействие между атомами, в результате которого образуются молекулы и твердые тела. Химическая связь осуществляется посредствам электронов, находящихся на внешних, не полностью занятых элек- 1.1. Общие сведения о с оении вещества тронных оболочках. Эти электроны называют валентными.
Независимо от природы сил, возникающих при сближении частиц, характер взаимодействия между атомами остается одинаковым (рис. 1.1): на относительно больших расстояниях появляются силы притяжения Е„и быстро увеличивающиеся с уменьшением расстояния х между частицами (кривая 1); на небольших расстояниях возникают силы отталкивания г", которые с уменьшением расстояния увеличиваются гораздо быстрее, чем Г„, (кривая 2). На расстоянии х = г, силы отталкивания уравновешивают силы притяжения и результирующая сила взаимодействия г обращается в нуль (кривая 3), Состояние частиц, сближенных на расстояние бл является состоянием равновесия.
Существует несколько видов химических связей. Ковалемтмая связь возникает в результате перекрытия электронных облаков отдельных атомов при их сближении, вследствие чего возрастает плотность отрицательного заряда в межъядерном пространстве, что приводит к появлению сил притяжения, уравновешивающих силы взаимного отталкивания между ядрами. Перекрытие электронных оболочек сближающихся атомов приводит к обобществлению электронов. В этом случае уже нельзя говорить о принадлежности электрона одному из атомов: электроны принадлежат одновременно нескольким атомам, образующим молекулу или твердое тело.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
