Современная модель состояния электрона в атоме

Представления квантовой механики

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвигает предположение, что все виды материи обладают волновыми свойствами. В общем случае де Бройль предложил заменить в уравнении mc = h/l скорость света (с) на скорость материальной частицы (u ): mu = h/l - импульс частицы mu обратно пропорционален её длине волны. Согласно постулату де Бройля: любая движущаяся частица или предмет обладают волновыми свойствами с определенной длиной волны и частотой, связанной с их движением.

Одним из основных положений квантовой механики, объясняющим кажущуюся двойственную природу микрочастиц, является установленный в 1927 г. В. Гейзенбергом принцип неопределённостиили соотношение неопределённостей, согласно которому: невозможно одновременно определить и скорость (или импульс Dр = mu), и положение микрочастицы (ее координаты Dх).

Вероятностное нахождение электрона в определенном положении в любой момент времени соответствует принципу неопределённости Гейзенберга, согласно которому положение и момент электрона не поддаются одновременному определению с абсолютной точностью. Поэтому, согласно современным представлениям, электроны, двигаясь в атоме, образуют так называемое электронное облако, а «орбиты движения электронов» (понятие, введенное Н. Бором) суть не что иное, как те места в пространстве, в которых чаще всего находятся электроны. Таким образом, каждый электрон находится не только на боровской орбите, а и в некотором объёме пространства. По современной терминологии обычно вместо термина «орбита», введенного Н. Бором в своей теории, чтобы отличить, какой теорией пользуются, применяют термин «орбиталь».

Сформулированные выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, - квантовой механики (механику, применяемую к движению обычных тел и описываемую законами И. Ньютона, стали называть классической механикой). Наибольший вклад в развитие квантовой теории внесли француз де Бройль, немец В. Гейзенберг, австриец Э. Шрёдингер, англичанин П. Дирак. Впоследствии каждый из этих ученых был удостоен Нобелевской премии.

При химических реакциях ядро атома не претерпевает изменений. Изменению подвергаются электронные оболочки атомов, строением которых объясняются многие свойства химических элементов. Поэтому состоянию электронов в атоме и структуре электронных оболочек уделяется большое внимание при изучении химии.

Состояние электрона в атоме описывается квантовой механикой, которая изучает движение и взаимодействие микрочастиц, то есть элементарных частиц, атомов, молекул и атомных ядер. По представлениям квантовой механики микрочастицы имеют волновую природу, то есть выступают как носители и корпускулярных, и волновых свойств. Применительно к электрону можно сказать, что он ведет себя и как частица, и как волна, то есть обладает, как и другие микрочастицы, корпускулярно-волновым дуализмом(двойственностью).

Электроны в атоме не имеют траекторий движения. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра. Быстро движущийся электрон может находиться в любой части околоядерного пространства, и различные положения его рассматриваются как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Более наглядно это можно представить так. Если бы удалось через весьма малые промежутки времени фотографировать положение электрона в атоме (он отразится на фотографии в виде точки), то при наложении множества таких фотографий получилась бы картина электронного облака. И там, где число точек наибольшее, облако наиболее плотное. Максимальная плотность отвечает наибольшей вероятности нахождения электрона в данной части атомного пространства.

Электронное облако атома водорода

Чем прочнее связан электрон с ядром, тем более плотным по распределению заряда и меньшим по размерам должно быть электронное облако.

Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. В нем заключается 90 % электронного облака. Это означает, что около 90 % времени электрон находится в этой части пространства.

Очевидно, что электроны, движущиеся в орбиталях меньшего размера, сильнее притягиваются ядром, чем электроны, движущиеся в орбиталях большего размера. Электроны, которые движутся в орбиталях близкого размера, образуют энергетические уровни(электронные слои). Энергетические уровни нумеруются, начиная с 1, 2, 3, 4 … Иногда их обозначают буквами K, L, M, N … Целое число n, обозначающее номер уровня, называетсяглавным квантовым числом. Оно характеризует размер электронного облака, энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня электроны последующих уровней обладают большим запасом энергии. Очевидно, менее прочно связаны с ядром электроны внешнего уровня.

Число заполняемых электронами энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором находится элемент: у атомов элементов I периода – один энергетический уровень, II периода – два, III – периода – три и т.д. Наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня

N = 2n²,

где N – число электронов; n – номер уровня (считая от ядра), или главное квантовое число.

В соответствии с данным уравнением на первом, ближайшем к ядру, энергетическом уровне может находиться не более 2, на втором – 8, на третьем – 18, на четвертом – 32 электронов.

Кроме главного квантового числа существует еще три энергетических параметра, определяющих состояние электрона в атоме. Это побочное (орбитальное, азимутальное) квантовое числоl, определяющее форму атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 … до (n – 1) (l = 0, 1, …, n-1). Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы. При l = 0 орбиталь независимо от значения главного квантового числа имеет сферическую форму (s-орбиталь). Значению l = 1 соответствует орбиталь, имеющая форму гантели (р-орбиталь). Еще более сложную форму имеют орбитали, отвечающие высоким значениям l, равным 2, 3 и 4 (d-, f-, g-орбитали).

Характеристика орбитального квантового числа

Магнитное квантовое число (m_l)определяет положение атомной орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электромагнитного поля. Магнитное квантовое число связано с орбитальным квантовым числом, изменяясь –l , до + l, включая 0. Следовательно, каждому значению l соответствует (2l + 1) значений магнитного квантового числа.

Характеристика магнитного квантового числа

Спиновое квантовое число (s) может принимать лишь два возможных значения +½ и -½. Они соответствуют двум возможным и противоположным друг другу направлениям собственного магнитного момента электрона.

Характеристика спинового квантового числа