Состояние электронов в атоме

Факты, указывающие на сложность строения атома. В конце 19-го века появились данные, указывающие на сложность строения атома: Открыт электрон Открыто явление фотоэффекта Открыты линейчатые спектры Открыто явление радиоактивности и т.д. свет Электрон С п е к т р Фотоэффект

Модель атома Дж. Томсона

Модель атома Томсона Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940) Атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиуса порядка м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны. Недостатки модели: 1. не объясняла дискретный характер излучения атома и его устойчивость; 2. не дает возможности понять, что определяет размеры атомов; 3. оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения положительного заряда в атоме (опыты, проводимые Эрнестом Резерфордом).

Модель атома Резерфорда Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) Экспериментально исследовал распределение положительного заряда. В 1906 г. зондировал атом с помощью α-частиц.

Схема опыта Резерфорда по рассеянию α- частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп

Опыт Резерфорда -частицы Светящийся экран Английский физик Резерфорд впервые поставил опыт, позволивший установить строение атома. Он направил узкий пучок -частиц на светящийся экран и видел, что светящиеся точки располагались кучно.

Опыт Резерфорда Но когда на пути -частиц он поставил золотую фольгу, то светящиеся точки рассеивались по всему экрану. Это означало, что -частицы рассеивались атомами золота, а некоторые из них (одна из 200) отбрасывались назад. -частицы светящийся экран Золотая фольга

Причины рассеивания - частиц -частица Электрон Электрон, входящий в состав атома нет мог рассеивать -частиц так как масса -частицы примерно в 8000 раз больше массы электрона. Значит -частицы рассеивались положительным зарядом атома в котором сосредоточена вся масса.

Атомное ядро – тело малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома. Диаметр ядра порядка – см. Атом водорода В атоме водорода вокруг ядра обращается всего один электрон. Ядро было названо протоном. m p = 1836,1·m e Размер атома – это радиус орбиты его электрона.

Механизм рассеивания. -частица имеет положительный заряд, поэтому отталкивается от положительного заряда, расположенного где-то внутри атома. При этом чем ближе будет проходить траектория - частицы к положительному заряду атома – тем больше сила действующая на нее, тем сильнее изменится ее траектория.

Вывод из опыта Резерфорда. Учитывая то, что из 2000 испущенных -частиц только одна отбрасывалась назад Резерфорд сделал вывод, что положительный заряд в атоме занимает небольшое пространство, то есть в атоме есть положительно заряженное ядро, а электроны вращаются вокруг ядра.

Строение атома Ядро Из опыта Резерфорда следует, что атом устроен следующим образом: в центре атома расположено положительно заряженное ядро размер которого от до раз меньше размера атома, а по орбите вокруг ядра вращаются электроны. Данная модель строения атома называется планетарной. Заряд ядра по величине равен заряду всех электронов, поэтому атом нейтрален

Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов

Недостатки атома Резерфорда 1. Эта модель не согласуется с наблюдаемой стабильностью атомов. По законам классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, а поэтому терять свою энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него. 2. Эта модель не объясняет наблюдаемые на опыте оптические спектры атомов. Оптические спектры атомов не непрерывны, как это следует из теории Резерфорда, а состоят из узких спектральных линий, т.е. атомы излучают и поглощают электромагнитные волны лишь определенных частот, характерных для данного химического элемента. 1. Эта модель не согласуется с наблюдаемой стабильностью атомов. По законам классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, а поэтому терять свою энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него. 2. Эта модель не объясняет наблюдаемые на опыте оптические спектры атомов. Оптические спектры атомов не непрерывны, как это следует из теории Резерфорда, а состоят из узких спектральных линий, т.е. атомы излучают и поглощают электромагнитные волны лишь определенных частот, характерных для данного химического элемента. К явлениям атомных масштабов законы классической физики неприемлемы.

Постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору.

Постулаты Бора Нильс Бор Первый постулат Бора : атомная система может находится только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E n. В стационарном состоянии атом не излучает. Постулат находится в противоречии с классической механикой ( Энергия движущихся электронов может быть любой ), с электродинамикой Максвелла, т. к. допускает возможность ускоренного движения без излучения электромагнитных волн.

Второй постулат Бора : излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией E k в стационарное состояние с меньшей энергией E n. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний. При поглощении света атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией, при излучении – из стационарного с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Второй постулат противоречит электродинамике Максвелла, т. к. частота излученного света свидетельствует не об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома.

Поглощение света – процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетический состояний в высшие. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из высших энергетических состояний в низшие.

Модель атома водорода по Бору Бор рассматривал простейшие круговые орбиты. - потенциальная энергия взаимодействия электрона с ядром в абсолютной системе единиц. e – модуль заряда электрона, r – расстояние от электрона до ядра. Произвольная постоянная, с точностью до которой определяется потенциальная энергия, принята равной нулю. Wp<0, так как взаимодействующие частицы имеют заряды противоположных знаков. E=E кин +W p – полная энергия атома. - центростремительное ускорение по второму закону Ньютона сообщает электрону на орбите кулоновская сила.

Правило квантования Из первого постулата Бора энергия может принимать только определенное значение E n. Электрон движется по круговой орбите, то mvr – момент импульса в механике - Постоянная Планка. Бор предположил, что произведение модуля импульса на радиус орбиты кратно постоянной Планка.

Радиусы орбит Радиусы боровских орбит меняются дискретно с изменением числа n. Значения электронных орбит определяют : Наименьший радиус орбиты : Размеры атома определяются квантовыми законами ( радиус пропорционален квадрату постоянной Планка ). Классическая теория не может объяснить, почему атом имеет размеры порядка см.

Энергия стационарных состояний - дискретные ( прерывистые ) значения энергий стационарных состояний атома ( энергетические уровни ).

Низшее энергетическое состояние Атом может находится сколь угодно долго. Чтобы ионизировать атом водорода, ему нужно сообщить энергию 13,53 эВ – энергия ионизации. Возбуждающий атом : n=2, 3, 4, … τ = с – время жизни в возбужденном состоянии. За время τ электрон успевает совершить около ста миллионов оборотов вокруг ядра.

Излучение света Возможные частоты излучения атома водорода : где - постоянная Ридберга R = ,316 см -1. Теория Бора приводит к количественному согласию с экспериментом для значений частот, излучаемых атомом водорода. Все частоты излучений атома водорода образуют ряд серий, каждому из которых соответствует определенное значение числа n и различные значения k > n.

Спектральные серии водорода Серия Лаймана – открыл в 1906 г. Теодор Лайман. Данная серия образуется при переходах электронов с возбуждённых энергетических уровней на первый в спектре излучения и с первого уровня на все остальные при поглощении. Серия Бальмера – открыл в 1885 г. Иоганн Бальмер. Данная серия образуется при переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на второй в спектре излучения и со второго уровня на все вышележащие уровни при поглощении. Серия Пашена – открыл в 1908 г. Фридрих Пашен. Данная серия образуется при переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на третий в спектре излучения и с третьего уровня на все вышележащие уровни при поглощении.

Стационарные орбиты атома водорода и образование спектральных серий

Диаграмма энергетических уровней атома водорода

Теория Бора построила количественную теорию спектра атома водорода. Относительно атомов гелия и более сложных атомов теория Бора позволяла делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключения, но не удалось построить количественную теорию. Квантовая механика и квантовая электродинамика

Волновые свойства микрочастиц. Дифракция электронов В 1923 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно- волнового дуализма. Де Бройль утверждал: не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связаны, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия E и импульс p, а с другой стороны, волновые характеристики – частота ν и длина волны λ.

Любой частице, обладающей импульсом, сопоставлялся волновой процесс с длиной волны λ = h / p

Поскольку движение электрона имеет волновой характер, квантовая механика описывает его движение в атоме при помощи волновой функции ψ. В разных точках атомного пространства эта функция принимает разные значения.

Для выражения законов движения частиц используется уравнение Шредингера. Шредингер вывел уравнение, которое связывает энергию электронной системы с волновой функцией. Волновое уравнение Шредингера для движения одной частицы, например электрона в атоме водорода, в общем виде выглядит следующим образом:

Атомные орбитали отличаются энергией, размером, формой и положением в пространстве относительно ядра.

Форма s-орбитали Рис. 1. Форма s-орбитали Рис. 1. Форма s-орбитали

Форма p-орбитали

Возможные формы d- орбиталей

Возможные формы f- орбиталей

Электронные формулы элементов

Это – математическая формулировка принципа неопределенности Гейзенберга. Нельзя измерить одновременно с абсолютной точностью положение и импульс объекта. – неопределенность в измерении координаты, – неопределенность в импульсе объекта, – постоянная Планка.

Электронное облако 1S - электрона

Сечение px-орбитали плоскостью XY Вид сбоку

В 1928 году английский физик Г. Томсон получил новое подтверждение гипотезы де Бройля Г. Томсон

Дифракция электронов на щели. График справа – распределение электронов на фотопластинке

Кривые распределения вероятности ρ (r) = 4πr2|Ψ|2 обнаружения электрона в атоме водорода на различных расстояниях от ядра в состояниях 1s и 2s

Заполнения атомных орбиталей Принцип наименьшей энергии требует, чтобы электроны заселяли АО в порядке увеличения энергии элекронов на этих орбиталях. Принцип Паули запрещает в многоэлектронном атоме находиться электронам с одинаковым набором квантовых чисел Паули Орбитали с одинаковыми энергиями (вырожденные) заполняются в соответствии с правилом Гунда: наименьшей энергией обладает электронная конфигурация с максимальным спином Гунда

Каждый подуровень содержит 2l + 1 орбитали, на которых размещаются не более 2(2l + 1) электронов. Отсюда следует, что емкость s-орбиталей – 2, p-орбиталей – 6, d-орбиталей – 10 f-орбиталей – 14 электронов

формулу Бора–Бьюри, определяющую общее число электронов на уровне с заданным n:Бора

Спектры излучения Непрерывные ЛинейчатыеПолосатые Распределение энергии по частотам (спектральная плотность интенсивности излучения)

Дают тела, находящиеся в твердом, жидком состоянии, а также плотные газы. Чтобы получить, надо нагреть тело до высокой температуры. Характер спектра зависит не только от свойств отдельных излучающих атомов, но и от взаимодействия атомов друг с другом. В спектре представлены волны всех длин и нет разрывов. Непрерывный спектр цветов можно наблюдать на дифракционной решетке. Хорошей демонстрацией спектра является природное явление радуги.

Дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии (атомы практически не взаимодействуют друг с другом). Изолированные атомы данного химического элемента излучают волны строго определенной длины. Для наблюдения используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются.

Спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. Создаются молекулами, не связанными или слабосвязанными друг с другом. Для наблюдения используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Джеймс Франк Густав Людвиг Герц Существование стационарных состояний было доказано в опытах немецких физиков Д. Франка и Г. Герца в 1913 г.

Идея опытов: нужно исследовать поведение атома при передаче ему определенных количеств энергии. Стационарных состояний нет (внутренняя энергия атома может принимать любые значения) Передавая атому некоторую энергию, атом возбуждается, его внутренняя энергия увеличивается. Стационарные состояния есть. Для увеличения внутренней энергии атому нужно передать энергию, превышающую разность энергий двух низших стационарных состояний. При передаче меньшей энергии атом не возбуждается, лишь увеличивается его кинетическая энергия.

Передают энергию атомам, бомбардируя их электронами, ускоренными электрическим полем. - Кинетическая энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов U. Стеклянный сосуд с тремя электродами заполнен парами ртути при низком давлении. Батарея G1 создает ускоряющее электрическое поле. Напряжение U между катодом K и сеткой C можно регулировать с помощью потенциометра. Между сеткой и анодом с помощью батареи G2 создается слабое задерживающее поле с напряжением около 0,5 В. Это поле препятствует попаданию на анод медленых электронов. Испускаются электроны катодом К, подогреваемым электрическим током.

При напряжении ниже 4,9 В: столкновения электронов с атомами являются упругими; внутренняя энергия атомов не меняется; кинетическая энергия электронов при этом почти не меняется, так как масса электрона много меньше массы атомов ртути; электроны, ускоренные электрическим полем между катодом и сеткой, преодолевают задерживающее поле и достигают анода; число электронов, достигших анода в единицу времени, растет пропорционально напряжению. Напряжение повышается до 4,9 В: столкновения электронов с атомами становятся неупругими; внутренняя энергия атомов увеличивается скачком, а электрон после соударения теряет почти всю свою кинетическую энергию; задерживающее поле не допускает медленные электроны до анода, и сила тока резко уменьшается; ток не падает до нуля, так как некоторая часть электронов достигает сетки, не испытав неупругих соударений.

Внутренняя энергия атомов ртути не может измениться на величину, меньшую ΔE = 4,9 эВ. Существование у атома дискретного набора стационарных состояний. При напряжении 4,9 В пары ртути начинают излучать. - частота излучения совпадает с экспериментально наблюдаемой. Возбужденные атомы ртути переходят в низшее энергетическое состояние и излучают световые кванты.

ELzLz S n m msms главное квантовое число орбитальное квантовое число орбитальное магнитное квантовое число спиновое квантовое число 1) 2) Принцип Паули: в атоме может существовать только один электрон в состоянии, характеризуемом данными значениями четырех квантовых чисел.

Число состояний с одинаковой энергией называется кратностью вырождения. Число состояний с одинаковой энергией называется кратностью вырождения.

Совокупность электронов атома с заданным значением главного квантового числа n образует электронный слой или просто слой. п Слой КLMNО Максимальное число электронов в слое Совокупность электронов с заданными значениями n и образует оболочку Оболочка spdfg Максимальное число электронов в оболочке

(n+l)(n+l)nl Атомные орбитали 1101s1s1 период 2202s2s 2 период 3 212p2p 303s3s 3 период 4 313p3p 404s4s 4 период 5 323d3d 414p4p 505s5s 5 период 6 424d4d 515p5p 606s6s 6 период 7 434f4f 525d5d 616p6p 707s7s 7 период 8 535f5f 626d6d 717p7p 808s8s Начало 8 периода Энергетическая последовательность орбиталей в изолированных атомах Правило Клечковского: орбитальная энергия последовательно повышается по мере увеличения суммы (n+l), при одном и том же значении этой суммы относительно меньшей энергией обладает атомная орбиталь с меньшим значением главного квантового числа n. Uchim.net

Принцип детального равновесия: в условиях теплового равновесия для каждого перехода энергия, поглощаемая системой, должна быть равна энергии, испускаемой системой за то же время г. А. Эйнштейн: Механизмы испускания света веществом 1917 г. А. Эйнштейн: Механизмы испускания света веществом Спонтанное (некогерентное) Вынужденное (когерентное) Uchim.net

А.М. ПрохоровН.Г. БасовЧ. Таунс В 1954 г. Впервые создали генераторы электромагнитного излучения, использующие механизм вынужденного перехода. Т. Мейман В 1960 г. создал лазер в оптическом диапазоне работающий на рубине.

Газовые -гелий-неоновый -аргоновый -криптоновый -ксеноновый -азотный -втористо-водородный -кислородно-йодный -углекислотный (CO 2 ) -на монооксиде углерода (CO) -эксимерный Газовые -гелий-неоновый -аргоновый -криптоновый -ксеноновый -азотный -втористо-водородный -кислородно-йодный -углекислотный (CO 2 ) -на монооксиде углерода (CO) -эксимерный На парах металлов -гелий-кадмиевый -гелий-ртутный -гелий-селеновый -на парах меди -на парах золота На парах металлов -гелий-кадмиевый -гелий-ртутный -гелий-селеновый -на парах меди -на парах золота Твердотельные -рубиновый -алюмо-иттриевые -на фториде иттрия-лития -на ванадате иттрия -на неодимовом стекле -титан-сапфировые -александритовый -оптоволоконный -на фториде кальция Твердотельные -рубиновый -алюмо-иттриевые -на фториде иттрия-лития -на ванадате иттрия -на неодимовом стекле -титан-сапфировые -александритовый -оптоволоконный -на фториде кальция Другие типы -полупроводниковый лазерный диод -на красителях -на свободных электронах -псевдо-никелево-самариевый Другие типы -полупроводниковый лазерный диод -на красителях -на свободных электронах -псевдо-никелево-самариевый

Рис унок Тре хуро внев ая схе ма опти ческ ой нака чки. Ука зан ы «вре мен а жиз ни» уров ней E 2 и E 3. Уро вень E 2 – мет аста бил ьны й. Пер ехо д меж ду уров ням и E 3 и E 2 без ызл учат ель ный. Лаз ерн ый пере ход осу щес твл яетс я меж ду уров ням и E 2 и E 1. В крис тал ле руб ина уров ни E 1, E 2 и E 3 прин адл ежа т при мес ным ато мам хро ма

Осенью 1960 г. Джават Беннет и Эрриот продемонстрировали работу газового лазера, в котором инверсная населенность создавалась в смеси двух газов – гелия и неона. Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная трубка со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2 %

Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона

Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.

Наука Вооружение Медицина Промышленность и быт Спектроскопия Измерение расстояний Фотохимия Намагничивание Интерферометрия Голография Охлаждение Термоядерный синтез Лазерное оружие «Звездные войны» Целеуказатели Лазерный прицел Лазерное наведение Скальпель Точечная сварка тканей Хирургия Диагностика Удаление опухолей Резка, сварка, маркировка, гравировка CD, DVD-проигрыватели, принтеры, дисплеи Фотолитография, считыватель штрихкода Оптическая связь, системы навигации (л.гироскоп) Манипуляции микрообъектами Uchim.net