Невозможность классического описания поведения электронов в атоме. Дискретность электронных состояний в атоме

 

Самостоятельная работа №2

по  концепции современного естествознания

на тему:

«Невозможность классического описания поведения электронов в атоме. Дискретность электронных состояний в атоме. Организация электронных состояний атома в электронные оболочки. Переходы электронов между электронным состоянием как основные атомные процессы(возбуждение и ионизация)» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

1.Невозможность классического описания поведения электронов в атоме..    3 2.Дискретность электронных состояний в атоме………………………………5

3.Организация  электронных состояний атома  в электронные оболочки……. 8

4.Переходы электронов  между электронным состоянием  как основные атомные процессы(возбуждение  и ионизация)………………………………..12

Список литературы………………………………………………………………15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Невозможность классического описания поведения электронов в атоме.

Теория Бора оказала огромные услуги физике и  химии. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.

Движение электронов в атомах рисовалось Бору до известной степени как простое механическое перемещение, между тем как оно является весьма сложным и своеобразным.

Своеобразие движения электронов было раскрыто новой теорией - квантовой, или  волновой, механикой. Квантовая механика показывает,  что  законы  движения  электронов  имеют много общего с законами распространения волн. Для электрона  с массой m и скоростью v можно записать:

                               = h / (m*v)                              

где  - длина  волны Деброиля, h- постоянная Планка.

Атомы различных  элементов характеризуются определенным значением заряда ядра  и равным ему числом электронов, которые распределяются по энергетическим  уровням. Поведение электронов  в атоме характеризуется четырьмя квантовыми  числами:

1) Главное квантовое  число n определяет уровень энергии, которому отвечает данная орбита, и ее удаленность от ядра. Число может принимать значения ряда натуральных чисел (в реальных атомах от одного до семи). Эти числа соответствуют электронным слоям атома или его энергетическим уровням, которые обозначаются прописными буквами латинского алфавита.

    Помимо  главного квантового  числа,  состояние   электрона   в   атоме

характеризуется еще тремя другими квантовыми числами: l, m, s.

2) Орбитальное,  побочное или азимутальное квантовое число l  характеризует момент количества движения электрона относительно  центра орбиты.

Оно определяет форму электронного облака (форму  орбиты), его сплошность или разрывы и его вытянутость. Принимает целые значения от 0 до (n-1). Для данного значения n имеется n различных орбиталей, т.е. число значений l определяет количество атомных орбиталей.

3) Магнитное   квантовое  число   m определяет положение плоскости орбиты электрона в пространстве или, в соответствии с представлениями волновой механики, то направление,  в котором вытянуто электронное облако.

Может принимать  целые значения от -l до l (включая 0), всего (2*l+1) значений.

Число значений m определяет число орбиталей данного (s-, p-, d-, f- типа).

4) Спиновое   квантовое   число   s  определяет  направление

вращения  электрона,   может   принимать только два  значения: 1/2 и -1/2.

Изучению распределения  электронов в атомах уделяется большое внимание, так как поведение атомов в химических реакциях в значительной мере зависит от того, насколько прочно  их электроны удерживаются на своих орбиталях. 
 
 
 
 
 

2.Дискретность электронных состояний в атоме.

Если любая  масса материи обладает соответствующей  ей энергией движения, то у проточастиц, еще не вступивших во взаимодействие, вся энергия будет кинетической, а самодвижение в пространстве и  во времени непрерывным. Конденсация  материи из проточастиц происходит в каждом случае либо за счет энергии  движения в пространстве, которая  становится энергией связи, то есть переходит  в потенциальную либо за счет энергии  движения во времени и тогда энергия  движения во времени становится потенциальной. Следствием перехода энергии из кинетической в потенциальную является ограниченность соответствующего движения, то есть дискретность его (п). Современная физика (XX в) признает разнокачественность связей в природе  и доказала ее значение в опытах по взаимному превращению электрона  и фотона. Однако, сущность этой разнокачественности  физика не установила до сих пор. Эталоном материальных систем, образованных за счет энергии движения во времени, являются фотоны, где дискретные материальные частицы имеют ограниченное движение во времени (определенные колебательные  движения - Тп), а принципом их движения в пространстве является непрерывность (L~). Эталоном материальных систем, образованных за счет энергии движения в пространстве, являются электроны. Здесь дискретные материальные частицы имеют ограниченное движение в пространстве а обязательное условие их существования - непрерывность  изменений во времени. Понятие непрерывности  и дискретности относится и к  субстрату: материальный носитель является дискретным, когда система существует в ограниченной массе материи  и непрерывным - если связь непрерывно самообновляется. Непрерывное самообновление связи создает явление, которое, например, в живых организмах традиционно  называется потоком вещества в системе, а в более широком смысле может  быть названо потоком материи. Вся  механика Ньютона выводится именно из этого состояния материи –  закрытых систем: тело находится в  покое или движется равномерно и прямолинейно, а внешние силы могут изменить это состояние (первый закон Ньютона). Механика универсума принципиально другая: материя находится в непрерывном движении, и это движение осуществляется в пространстве и во времени. Потенциальная энергия – это энергия связей между частями, составляющими данную систему. Когда связи разрываются, части возвращаются в состояние ВЕЧНОГО САМОДВИЖЕНИЯ, в котором и пребывают, пока свободно существуют. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы (атомы, поле, кванты). Развитие концепции атомизма.В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчайших частиц — атомов. До конца XIX в. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что материя состоит из отдельных неделимых частиц — атомов. С точки зрения современного атомизма, электроны — "атомы" электричества, фотоны — "атомы" света и т. д.Концепция атомизма, впервые предложенная древнегреческим философом Левкиппом в V в. до н. э., развитая его учеником Демокритом и затем древнегреческим философом-материалистом Эпикуром (341—270 до н. э.) и запечатленная в замечательной поэме "О природе вещей" римского поэта и философа Лукреция Кара (I в. до н. э.), вплоть до нашего столетия оставалось умозрительной гипотезой, хотя и подтверждаемой косвенно некоторыми экспериментальными доказательствами (например, броуновским движением, законом Авогадро и др.).Многие ведущие физики и химики даже в конце XIX в. не верили в реальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц — молекулы. Реальное существование молекул было окончательно подтверждено в 1906 г. опытами французского физика Жана Перрена (1870—1942) по изучению закономерностей броуновского Движения. В современном представлении молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н2, О2, НF, КСI) до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой.Атом — составная часть молекулы, в переводе с греческого означает "неделимый". Действительно, вплоть до конца XIX в. неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856—1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав электронной оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Организация электронных состояний атома в электронные оболочки.

По  теории  Резерфорда,  каждый электрон вращается  вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание электромагнитных  волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, вследствие чего нарушается   равновесие между ним и ядром. Для восстановления равновесия электрон должен постепенно передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им света. В конце концов, исчерпав всю энергию, электрон должен "упасть" на ядро, и излучение света прекратится.

Если бы на самом  деле происходило подобное непрерывное изменение движения электрона, его "падение" на ядро означало бы разрушение атома и прекращения его существования.

Таким образом, наглядная и простая ядерная  модель атома, предложенная Резерфордом, явно противоречила классической электродинамике. Система вращающихся вокруг ядра электронов не может быть устойчивой, так как электрон при таком вращении должен непрерывно излучать энергию, что, в свою очередь, должно привести к его падению на ядро и к разрушению атома. Между тем атомы являются устойчивыми системами.

Эти существенные противоречия частично разрешил выдающийся датский физик  Нильс Бор (1885 - 1962), разработавший в 1913 году теорию водородного атома, в основу которой он положил особые постулаты, связав их, с одной стороны, с законами классической механики и, с другой стороны, с квантовой теорией излучения энергии немецкого физика Макса Планка (1858 - 1947).

Сущность  теории  квантов сводится к тому, что энергия испускается  и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями - квантами  энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками,  квант за квантом; дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать.

Величина кванта энергии зависит от частоты  излучения:  чем больше частота излучения,  тем больше величина кванта.  Обозначая  квант  энергии  через  Е, запишем уравнение Планка:

                                  Е = h                               

где h - постоянная величина, так называемая константа  Планка,  равная 6,626*10   Дж*с., а    - частота волны Деброиля.

Кванты лучистой энергии называются также фотонами. Применив квантовые представления к вращению электронов  вокруг ядра,  Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классической электродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическим результатами и огромным числом экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в следующем:

Электрон может  двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям,  вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых, стационарных или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает электромагнитной энергии. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Обозначив запас энергии атома при положении электрона на  более удаленной от ядра орбите через Еí, а на более близкой через Еê и разделив потерянную атомом энергию Еí - Еê на постоянную Планка, получим искомую частоту:

                          = (Еí - Еê ) / h                         

Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атом водорода, вокруг ядра которого вращается только один электрон.

Исходя из приведенных  постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1 : 2 : 3 : ...: n . Величина n получила название главного квантового числа.

В  дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связано с некоторыми трудностями из-за ее новизны. Она позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако надо иметь в виду, что все эти схемы - это лишь более или менее достоверная гипотеза, позволяющая объяснить многие физические и химические свойства  элементов.

Как было уже  сказано раньше, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е.  каждому слою принадлежит определенное заполняющее или как  бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся  примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом   уровне,  чем электроны предыдущего слоя. Наибольшее число электронов N, имеющих возможность находиться  на  данном энергетическом уровне,  равно удвоенному квадрату номера слоя:

                                  N=2n                                   

где n - номер  слоя. Таким образом на 1-2, на 2-8, на  3-18 и т.д.  Кроме  того, установлено, что число электронов в наружном слое для всех  элементов, кроме палладия, не  превышает восьми, а в предпоследнем - восемнадцати.

Электроны наружного  слоя, как наиболее удаленные от ядра и,  следовательно, наименее прочно  связанные  с  ядром,  могут  отрываться  от  атома  и присоединяться  к  другим  атомам,  входя   в   состав наружного  слоя последних.  Атомы,  лишившиеся одного или  нескольких  электронов, становятся   положительно заряженными,  так  как  заряд  ядра  атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов.  Наоборот,  атомы, присоединившие    электроны   становятся   отрицательно заряженными.

Образующиеся  таким  путем  заряженные частицы,   качественно  отличные  от соответствующих атомов, называются ионами. Многие ионы в свою очередь могут терять  или присоединять электроны,  превращаясь при этом или в электронейтральные атомы,  или в новые ионы с другим зарядом. 
 
 
 
 
 
 

4.Переходы электронов между электронным состоянием как основные атомные процессы(возбуждение ионизация)

Столкновения  атомные, элементарные акты соударения двух атомных частиц (атомов, молекул, электронов или ионов). С. а. делятся  на упругие и неупругие. При упругом  С. а. суммарная кинетическая энергия  соударяющихся частиц остаётся прежней  — она лишь перераспределяется между  частицами, а направления движения частиц меняются. В неупругом С. а. изменяются внутренние энергии сталкивающихся частиц (они переходят на другие уровни энергии) и соответственно не сохраняется их полная кинетическая энергия. При этом меняется электронное  состояние атома либо колебательное  или вращательное состояние молекулы (см. Молекулярные спектры).