Теорія атома водню за Бором
Велику роль у розвитку уявлень про будову атома відіграли досліди Резерфорда по розсіянню - частинок у речовині. - частинки виникають при радіоактивних перетвореннях; вони представляють собою ядра атомів гелію (заряд 2е, маса 4).
Пучки - частинок для даного перетворення мають практично одну і ту ж швидкість порядка 107 м/с. Резерфорд скористався спінтарископом, що був винайдений В.Круксом. Спінтарископ -це власне лупа, в яку розглядається екран з ZnS, на який з голки, де є залишки радію, падають - частинки. Око бачить спалахи. Дослід Резерфорда, Гейгера та Марсдена 1909 р.
Резерфорд, досліджуючи проходження - частинок через золоту фольгу товщиною ~показав, що основна їх частина відхиляється на незначні кути, але деякі з них (приблизно 1 на 20000) різко відхиляються (кут відхилення досягає 1000.
Оскільки атомні електрони не можуть значно змінити рух -частинок, то Резерфорд зробив висновки, що значне відхилення обумовлене взаємодією позитивних -частинок з позитивним зарядом, що має велику масу. Але незначна кількість таких відхилень вказує на те, що лише деякі частинки проходять поблизу даного позитивного заряду. З дослідів Резерфорда випливало, що позитивний заряд атома зосереджений в об`ємі, дуже малому порівняно з об`ємом атома. На основі своїх дослідів Резерфорд запропонував ядерну (планетарну) модель атома (1911). Нехай електрон рухається навколо атома по круговій орбіті радіуса Кулонівська сила дає а відцентрова сила
.
Є нескінченна множина значень та що задовольняють це рівняння. Тому може змінюватись неперервно, тобто спектри атомів мають бути суцільними. Але дослід показує, що атоми мають лінійчастий спектр. Крім того, модель атома Резерфорда - нестійка, тоді як атоми - це стійкі структури.
Лінійчастий спектр атома водню
Самим вивченим є спектр атомарного водню. Швейцарець І.Бальмер підібрав емпіричну формулу, яка описувала всі відомі тоді лінії у видимій області спектру,
м-1 - постійна Рідберга. Оскільки то
c-1
Це - формула Бальмера.
Потім була знайдена в УФ області спектру серія Лаймана:
В інфрачервоній області: серія Пашена:
серія Брекетта:
серія Пфунда:
серія Хемфрі:
Всі серії можна зібрати в узагальнену формулу Бальмера:
а починається з для кожної серії.
Постулати Бора
Перша спроба побудови квантової теорії атома належить Бору (1913)
1) постулат стаціонарних станів:
Електрон, що рухається по стаціонарним орбітам, не випромінює і має квантовані значення моменту імпульсу
2) правило частот: при переході з одної стаціонарної орбіти на іншу випромінюється (або поглинається) квант з енергією
-
визначає лінії частот спектра атома.
Дослід Франка і Герца
Д.Франк і Е.Герц (1913) експериментально довели дискретність значень енергій атомів.
Вакуумна трубка, заповнена парою ртуті ( Па) мала катод дві сітки та та анод Електрони, що емітувались катодом, прискорювались різницею потенціалів, що прикладалась між та Між та прикладався невеликий потенціал затримки (0,5 V). Електрони з області 1 потрапляють в область 2, де вони стикаються з атомами ртуті. Ті електрони, що після зіткнень мають достатню енергію, щоб подала ти потенціал затримки, потрапляють на анод.
При непружних зіткненнях електронів з атомами ртуті останні можуть збуджуватись. Якщо в атомах є рівні, (тобто атом бере енергію порціями), то електрон повинен втрачати енергію дискретно. При збільшенні прискорюючого потенціала до 4,86 V струм на аноді зростає, а потім різно спадає, даючи максимуми при і
Спектр атома водню за Бором
Візьмемо разом з
,
- радіус першої боровської орбіти.
м.
Це відповідає розрахункам з кінетичної теорії газів.
Повна енергія електрона:
Кінетична потенціальна в полі ядра
- водень
-
це співпало з експериментальним значенням
Але вже атом гелію теорія Бора не змогла пояснити!
ЛЕКЦІЯ 8
Елементи хвильової механики
Світло, що переносить енергію повинно мати імпульс, Значить і світловий квант з енергією повинен мати імпульс , але для світла Таким чином,
Якщо є імпульс, то є і розсіяння. При зіткненнні фотона з електроном спостерігається зміна імпульсу, а значить і довжини хвилі. А. Комптон в 1923 р. використав рентгенівське проміння і знайшов, що у розсіяних фотонів довжина хвилі збільшується.
В 1924 р. Луи де Бройль висловив думку, що співвідношення
і
справедливі не тільки для фотонів, а взагалі для всіх елементарних частинок. Він сказав, що пучок частинок будь-якого сорту буде створювати на підходящій подвійній щілині інтерференційну картину, характерну для досліду Юнга на світлі. Через три роки у 1927 році Девіссон і Джермер в США та Томсон у Великій Британії підтвердили це припущення. Тим часом дисертацію де Бройля вивчали в двох центрах - у Абердіні (цим займався Д.П. Томсон експериментатор) і у Цюріху - там працював теоретик Е. Шредінгер і запропонував своє знамените рівняння.
До рівняння Шредінгера можна було прийти на грунті оптико-механічної аналогії.
Для руху в електричному полі згідно уявлень про частинки маємо
Для відповідної хвилі згідно де-Бройлю
Нехай маємо плоску хвилю
Якому рівнянню має підкорятись щоб виконувалось попереднє співвідношення для імпульсу та енергії? Найпростіше це
При постійній енергії
Шредінгер вже раніше розмірковував про аналогію, яку знайшов ще У. Гамільтон між механікою матеріальної точки в силовому полі і геометричною оптикою в неоднорідному середовищі.
Шредінгер, стимульований де Бройлем, розповсюдив цю аналогію на хвилі речовини.
Він розглядав це рівняння як основу хвильової механіки однієї частинки.
Розглянемо частинку, що рухається вздовж осі і має довжину хвилі точно Хвильове число Чи можна взяти в якості хвильової функції Макс Борн дав надійне фізичне трактування в 1926 р. Він сказав, що - це розподіл ймовірностей. При тобто в будь-який момент часу на осі знайшлась би точка, де частинку було б неможливо знайти, тоді як в дійсності її можна з рівною ймовірністю знайти в будь-якій точці на осі. Тому треба брати і Якщо імпульс частинки має певне значення, ми не знаємо, де знаходиться частинка, і навпаки. Гайзенберг встановив, що тут має місце співвідношення невизначеностей
.
Розглянемо частинку, рух якої обмежено двомі стінками, що повністю її відбивають і розташовані на відстані Складаються дві хвилі, які розповсюджуються в протилежних напрямках
(-) вибрано, щоб при
Або
Нехай , при також має бути
,
- ціле.
Ми бачимо, що дозволені лише такі що задовольняють умові
(Ціле число півхвиль на де співпадає з умовою виникнення хвиль на струні.
Відповідні значення імпульсу частинки
Енергії
- енергія основного стану.
Масштаб енергій м (атом) Дж) eV.
В 1927 р. Девіссон і Джермер отримали чіткі інтерференційні максимуми при відбиванні електронів від монокристалів нікелю. В тому ж році Дж.П. Томсон надійно підтвердив і перевірив співвідношення у випадку проходження електронів через тонку металеву фольгу. В 1929 р. О. Штерн отримав свідчення про інтерференцію для окремих пучків гелію на кристалах кам`яної солі, а Остерман і О. Штерн (1929) для гелію та молекул водню на кристалах
Проходження крізь потенціальний бар`єр
Різниця в поведінці класичної і квантової частинок проявляється у тих випадках, коли на шляху частинки трапляється потенціальний бар`єр. Будемо вважати, що частинка рухається вздовж осі Нехай є потенціальний бар`єр.
Класична частинка.
Якщо повна енергія то частинка відіб`ється від бар`єру і полетить в зворотньому напрямку з тією ж енергією, що вона мала спочатку. При частинка пройде над бар`єром, втративши лише частину своєї енергії.
Квантова частинка
Така частинка з заходить вглиб бар`єру і лише потім повертає в зворотний бік. Під глибиною проникнення розуміють на якій ймовірність знайти частинку зменшується в разів.
У випадку, коли квантова частинка не обов`язково потрапляє в область і рухається в початковому напрямку. Існує ймовірність того, що частинка відіб`ється від бар`єру і полетить в зворотному напрямі. Ця ймовірність є
Для випадку
Якщо то Якщо ж бар`єр скінченної ширини, то ситуація ще цікавіша.
Класична частинка
Вона відбивається при так само.
Квантова частинка
Вона може опинитися за бар`єром навіть при і відбитись від бар`єра при .Коефіцієнт проходження (ймовірність):
Це тунельний ефект. Тунельний ефект дозволив правильно описати альфа-розпад, автоелектронну емісію, тунельний діод та ін.. Бар`єр, що утримує електрон в металі, перетворюється в бар`єр скінченної ширини при створенні поблизу металу сильного електричного поля.
Для атом водню
Значення для і співпадають з результатами з боровської теорії.
ЛЕКЦІЯ 9
ПЕРІОДИЧНА СИСТЕМА ЕЛЕМЕНТІВ
Принцип Паулі відіграє фундаментальну роль при інтерпретації періодичної таблиці Менделєєва. Якщо б цього принципа не було, то збільшення числа позитивних зарядів призводило б лише до того, що кожний новий електрон намагався потрапити в найнижчий стан (1S). В атомі, ядро якого має N позитивних зарядів, стан кожного з N електронів був би еквівалентним 1S стану одного електрона. Такі атоми мали б зовсім інші хімічні властивості, аніж реально існуючі атоми, причому б було важко чекати, що властивості атомів можуть раптово змінюватись при переході від одного атома до іншого (перехід через інертний газ!).
Намагаючись пояснити періодичну таблицю, Бор ще до появи принципа Паулі та введення рівняння Шредінгера висунув припущення, що на основному рівні можуть знаходитись лише 2 електрони, на другому 8. Згідно теорії Бора (1922), в основі системі лежить не атомна маса, а заряд ядра (ван ден Брек). Див. Стр. 8 щодо квантових чисел.
Якщо - елементарний заряд, то - порядковий номер елемента ( - заряд ядра). Властивості елемента залежать перш за все від числа електронів в електронній оболонці та від її будови. Хімічні властивості елемента визначаються зовнішніми електронами.
Періодичне повторення властивостей хімічних елементів є зовнішнім проявом внутрішньої структури електронних оболонок атомів.
Сукупність електронів атома з заданим значенням головного квантового числа утворює електронний шар або просто шар.
Сукупність електронів з заданими та утворює оболонку. Різні стани в оболонці відрізняються значеннями квантового числа Оскільки то в оболонці з фіксованим може бути не більше за електронів.
- означає, що в стані з
є 2 електрони, в стані з
також 2, в стані з
шість електронів (структура неону).
Максимальне число електронів в шарі з заданим є сума по оболонкам
Повністю заповнені оболонки позначаються символами
.
Здавалося б, що шари повинні заповнюватись послідовно один за другим, а в межах кожного шару спочатку заповнюється цілком -оболонка, потім також цілком і т. далі.
В дійсності шари та оболонки заповнюються ось як:
Шар складається лише з одної оболонки (). У водні на цій оболонці (тобто в стані ) є лише один електрон. В атомі гелію до нього приєднується другий електрон в тому ж стані Середня енергія зв`язку одного електрона в атомі гелію приблизно в два рази більше, аніж середня енергія зв`язку електрона в атомі водню. Це пояснюється тим, що заряд ядра гелію вдвічі більший за заряд ядра водню, в електрон в нормальному стані гелію знаходиться на меншій відстані від ядра, аніж у атомі водню. Наявність другого електрона зменшує енергію зв`язку першого. Два елемента - водень та гелій - утворюють перший період періодичної системи.
Приєднаємо тепер до атома третій електрон, одночасно збільшивши на одиницю заряд ядра. Третій електрон не може знаходитись в шарі оскільки цей шар вже цілком заповнений . Він починає заповнювати оболонку шару потрапляючи в стан Маємо лужний метал Четвертий електрон також потрапляє в стан - маємо берилій П`ятий електрон вже не можна приєднати до оболонки оскільки вона заповнена цілком. Тому з бора починає заповнюватись оболонка. В результаті маємо Побудова завершується неоном Так утворюється другий (короткий) період, що складається з 8 елементів. Потім починаючи з лужного йде заповнення шару Але після заповнення та оболонок воно завершується (аргоном). Маємо третій (знов короткий) період також з 8 елементів. З цього місця починаються порушення в "ідеальному" порядку заповнення шарів та оболонок. А саме, спочатку заповнюється оболонка і вже потім починається заповнення пропущеної оболонки, та й то з різними нерегулярностями. Тому зовнішні електрони наступних елементів калію та кальцію, знаходяться у стані і властивості цих елементів нагадують властивості натрію та магнію, зовнішні електрони яких знаходяться стані. Далі заповнюються рівні Відповідні елементи мають ту особливість, що при їх іонізації вибиваються не електрони, а електрони. Тому потенціали іонізації цих і перехідних елементів (тобто таких, у яких відбувається заповнення оболонок) приблизно однакові а хімічні властивості дуже схожі між собою. Цих перехідних елементів всього 10.
Після цинку, останнього з перехідних елементів, що відповідають заповненню оболонки, йдуть елементи, в яких заповнюється оболонки і які завершуються криптоном, у якого 36 електронів (два , два , шість , два , шість , та В періодичній системі є ще коло 70 елементів. За деякими виключеннями порядок заповнення такий:
Це заповнення можна зобразити у вигляді діаграми. Таким чином, якісно пояснюються основні властивості періодичної системи елементів.
Основне припущення полягає в тому, що сила, що діє на окремий електрон (з боку ядра та решти електронів) вважається сферично симетричною. В результаті характер впровадження рівнів є наслідком сферичної симетрії.
Походження позначень
(sharp) - різка побічна серія,
(principal) - головна серія,
d (diffuse) - дифузна побічна серія,
(fundamental) - фундаментальні серії,
- це вже просто літери послідовно з алфавіту.
Це - вигляд хвильової функції, що є розв’язком рівняння Шредінгера для атома водню.
Квантові числа
- головне , - орбітальне ,
- магнітне (),
- магнітне спінове ().
