Современная квантово-механическая модель

Строения атома

По современным представлениям, электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу: проявляет одновременно свойства корпускулы (частицы) и электромагнитной волны. Как частица, электрон имеет массу и заряд. Способность пучка электронов к явлениям дифракции и интерференции свидетельствует о волновой природе электрона.

Электрон в атоме не имеет траектории движения. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра в «размазанном» состоянии: быстродвижущийся электрон находится «одновременно» в любой части пространства, окружающего ядро, образуя электронное облако с неравномерной плотностью отрицательного заряда. Это можно продемонстрировать на примере модели атома водорода (рис.3.1.).

Вблизи ядра электронная плотность, практически, равна нулю (электрон здесь практически не бывает). По мере удаления от ядра электронная плотность возрастает, достигая максимального значения на расстоянии 0,053 нм, а затем снова падает. Чем прочнее с ядром связан электрон, тем более плотным по распределению заряда и меньшим по размерам будет электронное облако.

Атомная орбиталь – часть атомного пространства, в котором вероятность пребывания электрона составляет не менее 90% времени, т.е. в этом пространстве заключено 90% электронного облака.

Рис. 3.1. Электронное облако атома водорода с неравномерной плотностью.

Такая модель электронного облака в виде орбитали удобна для наглядного описания распределения электронной плотности в пространстве. Различают четыре типа электронных орбиталей: s, p, d и f. s -орбиталь имеет форму сферы; p –орбиталь – форму гантели; d- орбиталь – четырехлепесткового цветка или удвоенной гантели (рис.3.2.).

Рис. 3.2. Формы s-, p- и d-орбиталей

Электрон в атоме может принимать не любые состояния, а только определенные, в соответствии с их энергией. Электроны, которые движутся в орбиталях близкого размера, образуют энергетические уровни (слои). Последние нумеруются, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

В свою очередь, в энергетических уровнях электроны, согласно квантово-механической модели, распределяются по подуровням (подоболочкам): s-подуровень состоит из одной s-орбитали, р-подуровень – из трёх р-орбиталей, d-подуровень – из пяти d-орбиталей, f-подуровень – из семи f-орбиталей. Схематично распределение электронов в атоме по уровням и подуровням может быть представлено в виде диаграммы (рис.3.3.).

Рис. 3.3. Диаграмма электронных энергетических состояний атома

Для полного описания состояния каждого электрона в атоме, согласно квантово-механической модели, рекомендуется использовать четыре параметра n, l, m, S, называемых квантовыми числами.

Квантовые числа

Главное квантовое число (n) характеризует энергию электрона, которая определяет удалённость электрона от ядра атома (энергетический уровень). Значение главного квантового числа также указывает на число энергетических уровней в электронной оболочке атома. Параметр n принимает положительные целочисленные значения.

Побочное (орбитальное) квантовое число ( l) характеризует энергию подуровня. Наряду с этим, орбитальное квантовое число характеризует форму атомных орбиталей электрона, соответствующих данному подуровню. Побочное квантовое число в соответствии с соотношением:

l = n – 1,(3.2.)

принимает значения от 0 до (n – 1) всего n значений.

Для электронов, находящихся на энергетическом уровне n, орбитальное квантовое число l может принимать значения 0, 1, 2, 3. Более 4-х подуровней на энергетических уровнях быть не может.

Таблица 3.1.

Значения орбитального числа

Магнитное квантовое число (m) определяет ориентацию атомных орбиталей в магнитном поле атома, а также число атомных орбиталей на энергетическом подуровне. Число значений m:

m = 2 l + 1 (3.3.)

Таким образом, с помощью трех квантовых чисел n, l, m можно полностью описать состояние электрона относительно ядра, т.е. охарактеризовать атомную орбиталь, на которой электрон находится.

Спиновое квантовое число (S ) характеризует собственное вращательное движение электрона вокруг своей оси. Этот параметр может принимать только два значения:

S = ± 1/2. (3.4.)

Значение спинового квантового числа не зависит отзначений других квантовых чисел. Электроны, находящиеся на одной орбитали и обладающие противоположно направленными спинами ↑↓ (вращение по и против часовой стрелки), называются спаренными, а одиночный электрон на орбитали называется неспаренным.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: