ATOM (739715), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Построение простейшей модели атома водорода не представляет трудностей: электроно вращается в этом атоме вокруг протона. Для следующего элемента — гелия — возможны уже две различные модели (рис.4): два его электрона могут вращаться по орбитам, расположенным либо на различных расстояниях от ядра (А), либо на одинаковом, что схематически обозначено помещением их на одну окружность. Выбор между ними может быть произведён на основании химических свойств гелия. Если бы верна была модель А, то внешний электрон был бы связан в гелии не прочнее, чем в водороде. В соответствии с этим гелий должен был бы походить по свойствам на водород. Между тем он химически инертен. Это говорит за то, что оба его электрона находятся в одинаковых условиях и оба весьма прочно связаны с ядром, что и заставляет остановиться на модели Б.

Следующий элемент — литий —имеет уже три иэлектрона. Для него мыслимы четыре различные модели, коказанные на рис 5. Литий представляет собой металл, по химическим свойствам похожий на натрий и во всех своих соединениях одновалентный. Очевидно, что этому лучше всего соответствует модель Г. Принципиально важно то обстоятельство, что в ней сохраняется устойчивая конфигурация гелия из двух электронов в первом слое около ядра.

Элемент с атомным номером 4 — бериллий — всегда двухвалентен. Это показывает, что валентными являются в нём только два электрона, причём оба они находятся в одинаковых условиях. Очевидно, что и в бериллии сохраняется устойчивая гелийная двойка, а два остальных электрона располагаются в следующем слое.

Элемент № 5 — бор — трёхвалентен. Его модель, следовательно, строится аналогично модели бериллия, с той лишь разницей, что во втором от ядра слое содержится уже три электрона. Элемент № 6 — углерод — четырёхвалентен и расположение его электронов будет: 2 в первом слое и 4 во втором. Общая тенденция м развития атомных структур уже видна: при сохранении гелийной двойки в первом слое постепенно заполняется электронами второй. Это заполнение второго слоя будет, очевидно, продолжаться до тех пор, пока не достигнется число электронов, соответствующее его максимальной устойчивости. Но тогда должен получиться атом инертного газа. Рассматривая элементы, следующие в системе за углеродом, находим, что азот (2 и 5), кислород (2 и 6) и фтор (2 и 7) являются химически активными. Лишь элемент № 10 — неон — со структурой 2 и 8 оказывается аналогом гелия — инертным газом. Отсюда можно сделать вывод, что второй электронный слой становится устойчивым при 8 электронах.

Продолжая рассмотрение, находим, что элемент № 11 — натрий — одновалентен, магний — двухвалентен и т. д. Так как второй электронный слой заполнен уже в неоне, валентные электроны этих элементов будут располагаться в третьем слое.

Ввиду того, что пользование моделями атомов для выражения структур химических соединений затруднительно (с чисто графической стороны), обычно применяется упрощённый способ их изображения, при котором указывается только число электронов во внешнем слое:

Теория водородного атома

Вопрос о структуре простейшего атома — атома водорода — был разрешён в 1911 г. планетарной моделью, однако в самой этой модели таились внутренние противоречия. Действительно, по представлениям классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен был непрерывно излучать энергию в виде электромагнитного излучения. Отсюда вытекали два важных следствия:

1. Из-за постоянного излучения энергии радиус орбиты электрона должен последовательно уменьшаться, в конце концов электрон должен упасть на ядро, что привело бы к уничтожению атомая. как такового.

2. Вследствие постепенного изменения скорости вращения электрона электромагнитное излучение атома должно состоять из непрерывного ряда лучей различных длин волн. Иначе говоря, спектр водорода может быть сплошным, т. е. содержать линии, соответствующие всевозможным длинам волн.

Ни то, ни другое следствие не оправдывается: самоуничтожения атомов водорода не происходит, а видимый спектр этого элемента со­стоит из ряда отдельных линий, соответствующих некоторым определенным длинам волн, как это видно из рис. III-21.

Голубой Фиолетовый

500 550 450 400 350 нм

Рис. Ill-21. Видимый спектр водорода (серия Бальмера).

Таким образом, либо планетарная модель, либо классическая тео­рия должна была быть неправильна. На самом деле в серьезных по­правках нуждались и та, и другая.

Еще до появления планетарной модели атома был отвергнут тезис классической электромагнитной теории света о непрерывности излуче­ния. «Тезису, гласящему, что скачков не бывает, а есть только н е п р е р ы в н о с т ь, с полным правом можно противопоставить а н т и- т е з и с, по смыслу которого в действительности и з м е н е н и е в с е г д а с о в е р ш а е т с я с к а ч к а м и, н о т о л ь к о р я д м е л к и х и б ы с т р о следующих один за другим скачков сливается для нас в один «непрерывный процесс» (Плеханов). Таким антите­зисом явилась квантовая теория (Планк, 1900 г.).

Согласно этой теории, энергия излучается не непрерывно, а опре­деленными порциями, являющимися кратными некоторого «кванта дей­ствия» (h). Величина излучаемого кванта энергии тем больше, чем больше частота колебаний излучения, т. е. чем меньше длина его волны. Например, фиолетовые лучи имеют бóльшую энергию, чем красные. В электромагнитном спектре (рис. III-12) наибольшей энергией обладают g-лучи, наименьшей — радиоволны. Величину кван­та энергии (E в Дж) для любого электромагнитного излучения можно вычислить из соотношения Е = hn, где h — квант действия (6,62·10³⁴ Дж·с)и n - частота колебаний рассматриваемого излуче­ния. Квантовая теория подтверждена обширным опытным материалом и является в настоящее время общепринятой.

1-2

Исходя из планетарных представлений и квантовой теории, Бор в 1913 г. построил модель атома водорода, не заключающую в себе тех противоречий, о которых говорилось выше. Модель эта была разрабо­тана на основе следующих положений.

1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по всевозможным орбитам, а лишь по некоторым определенным. На таких «дозволенных» орбитах он вращается, н е и з л у ч а я э н е р г и и.

2. Ближайшая к ядру орбита соответствует наиболее устойчивому («н о р м а л ьл о м у») состоянию атома. При сообщении последнему энергии извне электрон может перейти на одну из более удаленных ор­бит, причем запас его энергии будет тем больше, чем дальше от ядра орбита, на которую он переходит, такой электрон находится на более высоком энергетическом уровне. Атом, содержащий электрон на одном из высоких энергети­ческих уровней, в отличие от нормального, называют «возбужден­ным». Как показывает опыт, обратный переход из возбужденного состояния в нормальное осуществляется весьма быстро: средняя «продолжительность жизни» большинства возбужденных атомов оценивается величинами порядка 10^-8 сек.

3. Поглощение и излучение атомом энергии имеет место только при п е р е с к о к е электро­на с одной орбиты на другую. При этом разность энергий начального (Е_о) и конечного (Е_к) состояний воспринимается или отдается в виде кванта лучистой энергии (фотона), отвечающего излучению с частотой колебаний, определяемой рис. 111-22. Возможные соотношением hn = E_о - E_к.

Изложенные представления позволили вычислить радиусы различных «дозволенных» кван­товыми условиями орбит электрона в атоме водорода. Оказалось, что они относятся друг к другу как 1²:2²:3²:4²:...:n². Величина n была названа г л а в н ы м к в а н т о в ы м ч и с л о м. Как видно из приведен­ного выше, n может принимать различные значения, соответствующие натуральному ряду целых чисел.

Радиус ближайшей к ядру орбиты (n = 1) оказался для водорода равным 53 пм. Электрон вращается по ней со скоростью около 2200 км/с (средняя скорость враще­ния Земли вокруг Солнца составляет 30 км/с). На рис. III-22 дана схема возможных для атома водорода орбит, причем приведены лишь первые четыре. Скорость вращения электрона на второй из них вдвое меньше, чем на второй из них вдвое меньше,чем на первой, на третьей — втрое меньше и т. д.

Рис. III-22. Возможные электронные орбиты атома водорода по Бору

Рис. III-23. Схема происхождения водородного спектра

Работа, которую необходимо затра­тить для вырывания электрона водо­родного атома с той или иной орби­ты, обратно пропорциональна квадра­ту ее главного квантового числа. По­этому, например, вырвать электрон с третьей орбиты в девять раз легче, чем с первой.

Вычисленные частоты излучений, возникающих при перескоках электро­на с одних орбит на другие, оказались совпадающими с частотами линий на­блюдаемого на опыте водородного спектра. Как видно из рис. III-23, перескокам с различных более удаленных от ядра орбит на отвечаю­щую n = 1 соответствуют линии серии, лежащей в ультрафиолетовой области, перескокам на орбиту с n = 2— линии серии Бальмера (рис. III-21), а перескокам на орбиты с n = 3, 4 и 5 — линии трех серий, лежащих в инфракрасной области. Две последние серии были обнаружены экспериментально уже после разработки теории водород­ного атома и именно на основе ее предсказаний.

5-6

Если сообщить водородному атому достаточную энергию, то происходит его ионизация — распад на электрон и протон. Энергия, ко­торую нужно для этого затратить, отвечает n = ¥ (рис. III -24) и называется энергией ионизации (I). Она определена из спектра и для нормального состояния атома водорода составляет 1311 кДж на моль.

Н + 1311 кДж = Н⁺ + е

По соотношению I = 1311/n² энергия ионизации мо­жет быть рассчитана и для возбужденных состояний атома водорода.

7

Дальнейшее развитие теории водородного атома было дано Зоммерфельдом (1916 г.), показавшим, что кроме круговых орбит электрон может двигаться и по эллиптическим (с ядром в одном из фокусов эллипса), причем почти одинаковому уровню энергии соответ­ствует столько возможных типов орбит, сколько еди­ниц в главном квантовом числе. Последнее определяет размер большой полуоси данного семейства эллипсов (в частном случае круга его радиус). Величина ма­лой полуоси определяется «п о б о ч н ы м» квантовым числом (6), которое также принимает значения по­следовательных целых чисел, но не может быть боль­ше главного.

Для большой полуоси эллипса действительно соот­ношение а = n²r, а для малой b = nkr, где r — радиус орбиты при нормальном состоянии атома (53 пм). На­пример, для главного квантового числа 3 возможны три типа эллипсов, характеризующиеся обозначениями 3₁, 3₂ и 3₃, которые показывают, что большая полуось относится к ма­лой соответственно как 3 : 1, 3 : 2 и 3 : 3. В последнем случае имеем частный вид эллипса — круг, который один только и рассматривался первоначальной теорией.

Модель возможных электронных орбит атома водорода по Зом- мерфельду показана на рис. III-25. Отвечающие каждой из них энергетические уровни (п о д у р о в н и) схематически сопоставлены на рис. III-26 (Б) с уровнями, соответствую­щими только круговым орбитам (Ф). Произведенное Зоммерфельдом уточ­нение модели водородного атома по­зволило объяснить тонкую структуру спектральных линий.

На рис. 111-26 видно, что наинизшие подуровни отвечают наиболее

**"У™ *** "Р*"™ Ри**Ш-25. Именно они и будут поэтому в первую тронных орбит атома водорода по

Характеристики

Список файлов реферата