Оглавление

Вступление

Первое представление, что такое атом, электрон, электронные оболочки нам дали ещё в 8-ом классе. Это были азы, самое простое объяснение сложнейшего, как потом оказалось, материала. Для меня в 8 классе самых простых объяснений было достаточно. Но не так давно, месяца 2-3 назад, я начал задумываться, а как же на самом деле устроен атом, как движется электрон, что такое «электронная орбиталь» в полном её понимании. Сначала я пытался сам подумать над этим, но ничего «дельного», по моим представлениям, у меня не выходило. Тогда я начал изучать дополнительную литературу, чтобы  получить полное представление о микромире и ответить на вопросы, которые меня интересуют. С каждой новой строкой из прочитанного для меня открывалось что-то новое. Далее я попытался изложить то, что смог изучить и частично (ибо знания такого высокого уровня даются в университетах и изучаются множеством учёных всего мира, и школьнику такой материал  в полном смысле осознать очень сложно) понять за это время.

Основная часть

1. Определение электрона, его открытие.

Электрон – стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества.

Является фермионом^[1] (то есть имеет полуцелый спин). Относится к лептонам^[2] (единственная стабильная частица среди заряженных лептонов). Из электронов состоят электронные оболочки атомов, где их число и положение определяет почти все химические свойства веществ. Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме.[6]

Датой открытия электрона считается 1897 год, когда Томсоном был поставлен эксперимент по изучению катодных лучей. Первые снимки треков отдельных электронов были получены Чарльзом Вильсоном при помощи созданной им туманной камеры. [3]

2. Свойства электрона.

А. Масса и заряд частицы.

Заряд электрона неделим и равен −1,602176565(35)·10−19 Кл. Он был впервые непосредственно измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе (1911) и Р.Милликена (1912). Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц (в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берётся с положительным знаком). Масса электрона равна 9,10938291(40)·10−31 кг. [6]

Б. Невозможность описания электрона через классические законы механики и электродинамики.

Долгое время знаний о действительном строении атома не было. В конце XIX – начале XX в.в. было доказано, что атом является сложной частицей, состоящей из более простых (элементарных) частиц. В 1911 г. на основании экспериментальных данных английский физик Э. Резерфорд предложил ядерную модель атома с почти полной концентрацией массы в относительно малом объеме. Ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов, имеет положительный заряд. Оно окружено электронами, несущими отрицательный заряд. [8]

Описать движение электронов в атоме с позиций классической механики и электродинамики невозможно, так как:

1. если утверждать, что электрон (как цельное тело) движется по замкнутой круговой орбите вокруг ядра со Ѵ~105 м/c (т.е. рассматривать с позиции классической механики), то под действием центростремительной силы он в кратчайшее время (~10-11 сек) должен будет упасть на ядро атома, что приведёт к не существованию атома как такового и не существованию молекул, т.к. электроны осуществляют взаимодействие между атомами;
2.  если рассматривать электрон как заряженное тело (т.е. рассматривать с позиции электродинамики), то он неизбежно должен притянуться положительно заряженным ядром, а также при движении он будет излучать электромагнитное поле и терять при этом энергию, что неизбежно приведёт к аналогичной ситуации, что и в случае рассмотрения с позиции классической механики.

Вот что писал Нильс Бор:

         «Недостаточность классической электродинамики для объяснения свойств атома на основе модели резерфордовского типа ясно проявляется при рассмотрении простейшей системы, состоящей из положительно заряженного ядра очень малого размера и электрона, движущегося по замкнутой орбите вокруг ядра. Ради  простоты примем, что масса электрона пренебрежимо мала по сравнению с массой ядра, а скорость электронов мала по сравнению со  скоростью света.

      Сначала допустим, что излучение энергии отсутствует. В этом случае электрон будет двигаться по стационарным эллиптическим орбитам… Теперь рассмотрим влияние излучения энергии, как оно обычно измеряется по ускорению электрона. В этом случае электрон уже не будет двигаться по стационарным орбитам. Энергия W будет непрерывно убывать, и электрон будет приближаться к ядру,  описывая всё меньшие орбиты со всё возрастающей частотой; в то время как электрон в среднем выигрывает в кинетической энергии, система в целом теряет энергию. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока размеры орбит станут того же порядка, что и размеры электронов или ядра. Простой расчёт показывает, что испускаемая во время указанного процесса энергия неизмеримо больше той, которая испускается при обычных молекулярных процессах. Очевидно, что поведение такой системы совершенно отлично от того, что действительно происходит с атомной системой в природе. Во-первых, реальные атомы длительное время имеют определённые размеры и частоты. Далее представляется, что если рассмотреть какой-либо молекулярный процесс, то после излучения определённого количества энергии, характерного для излучаемой системы, эта система всегда вновь окажется в состоянии устойчивого равновесия, в котором расстояния между частицами будут того же порядка величины, что и до процесса». [7. 168]

В. Постулаты Бора.

Основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода^[3] и водородоподобных ионов, а также квантового характера испускания и поглощения света. Бор исходил из планетарной модели атома Резерфорда. [4]

1. Атом может находиться только в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.
2. Электрон в атоме, не теряя энергии, двигается по определённым дискретным круговым орбитам для которых момент импульса^[4] квантуется. Пребывание электрона на орбите определяет энергию этих стационарных состояний^[5].
3. При переходе электрона с орбиты (энергетический уровень) на орбиту излучается или поглощается квант энергии  hν = En − Em, где En; Em – энергетические уровни, между которыми осуществляется переход. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается, при переходе с нижнего на верхний — поглощается. [4]

Далее, совокупность постулатов, опытных данных, теоретически выведенных формулах и 2-х допущениях, гласящих следующее:

1. «Динамическое равновесие системы в стационарных состояниях можно рассматривать с помощью обычной механики, тогда как переход системы из одного стационарного состояния в другое нельзя трактовать на этой основе.
2. Указанный переход сопровождается испусканием монохроматического излучения, для которого соотношение между частотой и количеством выделенной энергии именно такое, которое дает теория Планка…» [7. 168]

позволили Бору составить свою теорию строения атома или Боровскую модель атома.

Она представляет собой полуклассическую модель атома, за основу которой взята теория Резерфорда о строении атома . Используя выше изложенные допущения и законы классической механики, а именно равенство силы притяжения электрона со стороны ядра и центробежной силы, действующей на вращающийся электрон, Бор получил следующие значения для радиуса стационарной орбиты  и энергии  находящегося на этой орбите электрона:

Здесь  — масса электрона, Z — количество протонов в ядре,  — диэлектрическая постоянная, e — заряд электрона.

Именно такое выражение для энергии можно получить, применяя уравнение Шрёдингера, решая задачу о движении электрона в центральном кулоновском поле.

Радиус первой орбиты в атоме водорода R0=5,2917720859(36)·10−11 м[2], ныне называется боровским радиусом, либо атомной единицей длины и широко используется в современной физике. Энергия первой орбиты  эВ представляет собой энергию ионизации атома водорода.

Примечание: данная модель – это грубое применение законов электродинамики с некоторыми допущениями для объяснения движения электрона исключительно в атоме водорода. Для более сложных систем с большим количеством электронов данная теория неприемлема. Она является следствием более общих квантовых законов.

Г. Корпускулярно-волновой дуализм.

В классической механике рассматривается два вида движения: движение тела с локализацией перемещающегося объекта в каждой точке траектории в определенный момент времени и движение волны, делокализованной в пространстве среды. Для микрообъектов такое разграничение движения невозможно. Эту особенность движения называют корпускулярно-волновым дуализмом.

Корпускулярно-волновой дуализм – способность микрочастицы, обладающей массой, размерами и зарядом, одновременно проявлять и свойства, характерные для волн, например, способность к дифракции. В зависимости от того, какие свойства частиц изучаются, они проявляют либо одни, либо другие свойства.

Автором идеи корпускулярно-волнового дуализма стал А. Эйнштейн, который предложил рассматривать кванты электромагнитного излучения – фотоны – как движущиеся со скоростью света частицы, имеющие нулевую массу покоя. Их энергия равна      E = mc2 = hν = hc / λ ,

где m - масса фотона, с - скорость света в вакууме, h - постоянная Планка, ν - частота излучения, λ - длина волны. [8]

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о том, что волновой характер распространения, установленный для фотонов, имеет универсальный характер. Он должен проявляться для любых частиц, обладающих импульсом . Все частицы, имеющие конечный импульс , обладают волновыми свойствами, в частности, подвержены интерференции и дифракции.

Формула  де Бройля устанавливает зависимость длины волны , связанной с движущейся частицей вещества, от импульса  частицы:

где  — масса частицы,  — ее скорость,  — постоянная Планка. Волны, о которых идет речь, называются волнами де Бройля. Формула де Бройля экспериментально подтверждается опытами по рассеянию электронов и других частиц на кристаллах и по прохождению частиц сквозь вещества. Признаком волнового процесса во всех таких опытах является дифракционная картина распределения электронов (или других частиц) в приемниках частиц.

Волны де Бройля имеют специфическую природу, не имеющую аналогии среди волн, изучаемых в классической физике: квадрат модуля амплитуды волны де Бройля в данной точке является мерой вероятности того, что частица обнаруживается в этой точке. Дифракционные картины, которые наблюдаются в опытах, являются проявлением статистической закономерности, согласно которой частицы попадают в определенные места в приёмниках – туда, где интенсивность волны де Бройля оказывается наибольшей. Частицы не обнаруживаются в тех местах, где, согласно статистической интерпретации, квадрат модуля амплитуды «волны вероятности» обращается в нуль.

Данная теория положила начало становления квантовой механики. В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении.

Д. Принцип неопределённости Гейзенберга.

В 1927 г. немецкий физик-теоретик В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, заключающийся в принципиальной невозможности одновременно точно определить положение микрочастицы в пространстве и ее импульс:

Δpx · Δ x ≥ h / 2π,

где Δpx = m Δvxx - неопределенность (ошибка в определении) импульса микрообъекта по координате х; Δx - неопределенность (ошибка в определении) положения микрообъекта по этой координате. [5]

Таким образом, чем точнее определена скорость, тем меньше известно о местоположении частицы, и наоборот.

Поэтому для микрочастицы (в данном случае электрона) становится неприемлемым понятие о траектории движения, поскольку оно связано с конкретными координатами и импульсом частицы. Можно лишь говорить о вероятности обнаружить ее какой-то областях пространства.

Произошел переход от "орбит движения" электронов, введенных Бором, к понятию орбитали  –  области пространства, где вероятность пребывания электронов максимальна.

3. Строение электронных оболочек.

         Электронная оболочка атома – область пространства вероятного местонахождения электронов, характеризующихся одинаковым значением главного квантового числа n и, как следствие, располагающихся на близких энергетических уровнях. Число электронов в каждой электронной оболочке не превышает определенного максимального значения.

       Электронная оболочка атома – это совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n.

       Далее необходимо дать определение атомной орбитали, дать объяснение её строения.

a) Понятие об атомной орбитали.

         Атомная орбиталь – это одноэлектронная волновая функция в сферически симметричном электрическом поле атомного ядра, задающаяся главным n, орбитальным l и магнитным m квантовыми числами.   [1]

       Далее необходимо дать объяснение понятия волновой функции.

1. Волновая функция - комплексная функция, описывающая состояние квантовомеханической системы.   (Атом водорода принимается как простейшая квантовая система. Именно на его основе делаются все вычисления, связанные с волновой функцией.) [2]

        Самым важным является физический смысл волновой функции. Он состоит в следующем:

«плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени считается равной квадрату абсолютного значения волновой функции этого состояния в координатном представлении.»

Волновая функция системы А частиц содержит координаты всех частиц: ψ(1,2,...,A,t).

Квадрат модуля волновой функции отдельной частицы |ψ(,t)|2 = ψ*(,t)ψ(,t) дает вероятность обнаружить частицу в момент времени t в точке пространства, описываемой координатами , а именно, |ψ(,t)|2dv ≡ |ψ(x, y, z, t)|2dxdydz это вероятность найти частицу в области пространства объемом dv = dxdydz вокруг точки x, y, z. Аналогично, вероятность найти в момент времени t систему А частиц с координатами 1,2,...,A в элементе объема многомерного пространства дается величиной |ψ(1,2,...,A,t)|2dv1dv2...dvA.

Принцип неопределённости Гейзенберга накладывает некоторые рамки точности расчёта волновой функции.

Значение волновой функции находится путём решения так называемого уравнения Шрёдингера.

2. Уравнение Шрёдингера - уравнение, описывающее изменение в пространстве и во времени чистого (квантового) состояния^[6], задаваемого волновой функцией. [5]

Оно было предложено в 1926 г. немецким физиком Э. Шрёдингером для описания состояния электрона в атоме водорода.

3. Физический смысл волновой функции даёт понять геометрический смысл атомной орбитали, заключающийся в следующем:

«Атомная орбиталь является областью пространства, ограниченная поверхностью равной плотности вероятности или заряда. Плотность вероятности на граничной поверхности выбирают исходя из решаемой задачи, но, обычно, таким образом, чтобы вероятность нахождения электрона в ограниченной области лежала в диапазоне значений 0, 9 - 0,99»

4. Квантовые числа – это числа, которые задают форму орбитали, энергию и момент импульса электрона.

1. Главное квантовое число n может принимать любые целые положительные значения, начиная с единицы (n = 1,2,3, … ∞) и определяет общую энергию электрона на данной орбитали (энергетический уровень) :

Энергия для n = ∞ соответствует энергии одноэлектронной ионизации для данного энергетического уровня.

1. Орбитальное квантовое число (называемое также азимутальным или дополнительным квантовым числом) определяет момент импульса электрона и может принимать целые значения от 0 до n — 1 (l = 0,1, …, n — 1). Момент импульса при этом задаётся соотношением

Атомные орбитали принято называть по буквенному обозначению их орбитального числа:

Буквенные обозначения атомных орбиталей произошли от описания спектральных линий в атомных спектрах: s (sharp) — резкая серия в атомных спектрах, p (principal)— главная, d (diffuse) — диффузная, f (fundamental) — фундаментальная. [1]

1. Магнитное квантовое число ml 

Движение электрона по замкнутой орбите вызывает появление магнитного поля. Состояние электрона, обусловленное орбитальным магнитным моментом электрона (в результате его движения по орбите), характеризуется третьим квантовым числом – магнитным  ml. Это квантовое число характеризует ориентацию орбитали в пространстве, выражая проекцию орбитального момента импульса на направление магнитного поля.

Соответственно ориентации орбитали относительно направления вектора напряжённости внешнего магнитного поля, магнитное квантовое число может принимать значения любых целых чисел, как положительных, так и отрицательных, от – l до +l, включая 0, т.е. всего (2l + 1) значений. Например, при l = 0, ml = - 1, 0, +1.

Таким образом, ml  характеризует величину проекции вектора орбитального момента количества движения на выделенное направление. Например,  p-орбиталь в магнитном поле может ориентироваться в пространстве в 3-х различных положениях. [9. 55]

5. Оболочки.

Электронные оболочки обозначаются буквами K, L, M, N, O, P, Q или цифрами от 1 до 7. Подуровни оболочек обозначаются буквами s, p, d, f, g, h, i или цифрами от 0 до 6. Электроны внешних оболочек обладают большей энергией, и, по сравнению с электронами внутренних оболочек, находятся дальше от ядра, что делает их более важными в анализе поведения атома в химических реакциях и в роли проводника, так как их связь с ядром слабее и легче разрывается.                                               

6. Подуровни.

Каждая оболочка состоит из одного или нескольких подуровней, каждый из которых состоит из атомных орбиталей. К примеру, первая оболочка (K) состоит из одного подуровня «1s». Вторая оболочка (L) состоит из двух подуровней, 2s и 2p. Третья оболочка — из «3s», «3p» и «3d».

Для полного объяснения строения электронных оболочек необходимо выделить следующие 3 очень важных положения:

1. Принцип Паули.

Он был сформулирован швейцарским физиком В. Паули в 1925. Он заключается в следующем:

В атоме не может быть 2-х электронов, обладающих одинаковыми свойствами.

На самом деле, данный принцип более фундаментален. Он применим ко всем фермионам.

2. Принцип наименьшей энергии.

В атоме каждый электрон располагается так, чтобы его энергия была минимальна (что отвечает наибольшей связи его с ядром).

Т.к. энергия электрона в основном состоянии определяется главным квантовым числом n и побочным квантовым числом l, то сначала заполняются те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел n и l является наименьшей.

Исходя из этого В.М. Клечковский впервые в 1961 году сформулировал общее положение, гласящее, что:

Электрон занимает в основном состоянии уровень не с минимальным значением n, а с наименьшем значением суммы n+l. [9. 61]

3. Правило Гунда.

При данном значении l (т.е. в пределах определённого подуровня) электроны располагаются таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.

Если, например, в трёх p-ячейках атома азота необходимо распределить три электрона, то они будут располагаться каждый в отдельной ячейке, т.е. размещаться на трёх разных p-орбиталях [9. 59]:

Выводы:

1. Движение и свойства электрона нельзя описать классическими законами механики и электродинамики. Электрон можно описать только в рамках квантовой физики.
2. Электрон не имеет чёткой орбиты вращения. Вокруг ядра существует электронное «облако», где электрон находится в любой точке пространства в любой момент времени.
3. Электрон обладает свойствами частицы и волны.
4. Существуют разные физико-математические методы описания характеристик электрона.
5. Атомные орбитали, каждая из которых  состоит не более, чем из 2-х электронов, составляют электронную оболочку атома, электроны которой участвуют в образовании межатомных связей в молекулах.

Заключение.

В школе на начальном этапе не полностью раскрывают реальное представление о строении атома, электрона. Чтобы лучше  узнать его строение, необходимо изучать дополнительную литературу. И у кого эта тема вызывает интерес, у того есть все возможности, чтобы углубить свои знания, и даже внести свой вклад в познание микрочастиц.

Первоначальных знаний о законах физики недостаточно для того, чтобы в полной мере описать объекты микромира, в данном случае – электроны.

Без понимания основ мироздания, фундаментальных понятий микромира, невозможно понять окружающий нас макро – и мегамир.

Список литературы

1. Википедия. Статья «Атомная орбиталь».
2. Википедия. «Волновая функция».
3. Википедия. Статья «Открытие электрона».
4. Википедия. Статья «Постулаты Бора».
5. Википедия. «Уравнение Шрёдингера».
6. Википедия. Статья «Электрон».
7. А.С. Енохович, О.Ф. Кабардин. Хрестоматия по физике: учебное пособие для учащихся»  стр.168: Из статьи Н. Бора «О строении атома и молекул». Часть первая. «Связывание электронов положительным ядром».
8. Кафедра МИТХТ . Основы строения вещества.
9. Н.Е. Кузьменко, В.В. Ерёмин, В.А. Попков. Начала химии.

Приложение 1

1. Сэр Джозеф Джон Томсон (18 декабря 1856 — 30 августа 1940) — английский физик, открывший электрон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года. Большинство работ его посвящено явлениям электрическим, в последнее же время особенно прохождению электричества через газы исследованию лучей Рентгена и Беккереля.
2. Чарлз Томсон Риз Вильсон (14 февраля 1869, Гленкорс — 15 ноября 1959, Карлопс, пригород Эдинбурга) — шотландский физик, за разработку названной в его честь камеры Вильсона, которая дала «метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара», Вильсон был удостоен в 1927 г. (совместно с Артуром Комптоном) Нобелевской премии по физике.
3. Эрне́ст Ре́зерфорд (30 августа 1871, Спринг Грув — 19 октября 1937, Кембридж) — британский физик новозеландского происхождения. Известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.
4. Нильс Хе́нрик Дави́д Бор (7 октября 1885, Копенгаген — 18 ноября 1962, Копенгаген) — датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Был членом более чем 20 академий наук мира, в том числе иностранным почётным членом АН СССР (1929; членом-корреспондентом — с 1924).

Бор известен как создатель первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики. Также он внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.

5. Альбе́рт Эйнште́йн  14 марта 1879, Ульм, Вюртемберг, Германия — 18 апреля 1955, Принстон, Нью-Джерси, США) — физик–теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист. Жил в Германии (1879—1893, 1914—1933), Швейцарии (1893—1914) и США (1933—1955). Почётный доктор около 20 ведущих университетов мира, член многих Академий наук, в том числе иностранный почётный член АН СССР (1926). Автор множества книг и статей. Автор важнейших физических теорий: Общая теория относительности, Квантовая теория фотоэффекта и т.д.
6. Луи Виктор Пьер Раймон, 7-й герцог Брольи, более известный как Луи де Бройль (15 августа 1892, Дьеп — 19 марта 1987, Лувесьен) — французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике за 1929 год, член Французской академии наук (с 1933 года) и её непременный секретарь (с 1942 года), член Французской академии (с 1944 года).

Луи де Бройль является автором работ по фундаментальным проблемам квантовой теории. Ему принадлежит гипотеза о волновых свойствах материальных частиц (волны де Бройля или волны материи), положившая начало развитию волновой механики. Он предложил оригинальную интерпретацию квантовой механики, развивал релятивистскую теорию частиц с произвольным спином, в частности фотонов (нейтринная теория света), занимался вопросами радиофизики, классической и квантовой теориями поля, термодинамики и других разделов физики.

7. Ве́рнер Карл Ге́йзенберг (нем.  5 декабря 1901, Вюрцбург — 1 февраля 1976, Мюнхен) — немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1932). Член ряда академий и научных обществ мира.

Гейзенберг является автором ряда фундаментальных результатов в квантовой теории: он заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределённостей.

8. Эрвин Ру́дольф Йо́зеф Алекса́ндр Шрё́дингер (12 августа 1887, Вена — 4 января 1961, там же) — австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1933). Член ряда академий наук мира, в том числе иностранный член Академии наук СССР (1934).

Шрёдингеру принадлежит ряд фундаментальных результатов в области квантовой теории, которые легли в основу волновой механики: он сформулировал волновые уравнения (стационарное и зависящее от времени уравнения Шрёдингера), разработал волновомеханическую теорию возмущений, получил решения ряда конкретных задач. Шрёдингер предложил оригинальную трактовку физического смысла волновой функции. Он является автором множества работ в различных областях физики: статистической механике и термодинамике, физике диэлектриков, теории цвета, электродинамике, общей теории относительности и космологии; он предпринял несколько попыток построения единой теории поля.