Атомы и частицы МОДЕЛИ АТОМА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПО

Атомы и частицы. МОДЕЛИ АТОМА. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПО ОРБИТАЛЯМ. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ.

Модели атома

Модели атома В истории физики наиболее значимыми можно обозначить следующие модели атома: Модель Томсона; Планетарная модель Резерфорда; Модель водородоподобного атома Н. Бора.

Модель Томсона Согласно модели Томсона атом представлял собой «пудинг с изюмом» : внутри положительно заряженной области находились частицы – электроны.

Планетарная модель Резерфорда

Планетарная модель Резерфорда Основные идеи модели Резерфорда: В центре атома сосредоточено положительно заряженное ядро. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца.

Проблема планетарной модели Недостатком модели Резерфорда является ее неспособность объяснить устойчивость атомов: согласно представлениям классической физики электрон должен терять энергию и в результате упасть на ядро.

Постулаты Бора Для разрешения проблем, возникающих при рассмотрении модели Резерфорда, Н. Бором были сделаны следующие допущения: Атом может длительно пребывать только в особенных стационарных состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн. Излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Атом Бора *E = hν

Линейчатые спектры Модель атома Бора объясняет линейчатые спектры.

Спектроскопия Спектроскоп

Квантовомеханическое описание (волновая функция) Квантовая механика является статистической теорией, она оперирует не траекториями движений (как классическая механика), а вероятностями. Основным объектом квантовой механики является волновая функция (Ψ = Ψ(x, y, z, t)). Квадрат волновой функции задает плотность вероятности. Для нахождения волновой функции в квантовой механики используют уравнение Шрёдингера. Зная волновую функцию, можно рассчитывать различные средние значения величин (например, среднюю энергию частицы).

Опыт Юнга с электронами ρ(x) – плотность вероятности; ρ(x)=|Ψ(x)|2 x

Квантовые числа При рассмотрении водородоподобного атома, оказывается, что решение уравнения Шредингера зависит от трех чисел, называемых квантовыми числами: 1. Число n – главное квантовое число. Показывает номер энергетического уровня электрона в атоме. n = 1, 2, 3… 2. Число l – орбитальное квантовое число. Определяет форму электронного облака. p = 0, 1, 2, 3…n-1 3. Число m – магнитное квантовое число. Характеризует пространственное положение атомной орбитали. m = -l, -l +1, -l +2, …, 0, …, l - 2, l - 1, l (изменяется в диапазоне от –L до +L)

Формы электронных орбиталей

Спин Также состояние электрона в атоме определяется спиновым квантовым числом s. Спин – собственный момент импульса элементарной частицы. Спиновое число может принимать целые и полуцелые значения: 0, 1, ½, -½, и т. п. Частицы с целым спином называются бозонами, с полуцелым спином – фермионами.

Принцип запрета Паули — один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. В случае атома водорода, данный принцип запрещает двум электронам иметь одинаковые наборы квантовых чисел.

Распределение электронов по орбиталям. Главное квантовое число принято обозначать числом. Орбитальное квантовое число принято обозначать буквой (s, p, d, f…). Два электрона не могут иметь одинаковые наборы квантовых чисел. Суммарное значение спинового квантового числа электронов данного подслоя должно быть максимальным (правило Хунда).

Распределение электронов по орбиталям. Атом серы, электронная формула: Электронные формулы можно найти в таблице Менделеева. Существуют элементы с незавершенными внутренними оболочками, такие элементы называют переходными.

Элементарные частицы

Элементарные частицы В ядерной физике под термином «элементарные частицы» понимается общее название для всех субатомных частиц, отличных от атомов и атомных ядер. Они обладают способностью к рождению и взаимопревращению.

Пример взаимного превращения Примером взаимного превращения может служить распад нейтрона: n→p+ē+ν т. е. нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино. Продукты распада нейтрона возникают только в самом этом процессе, до распада их не было и они не входили в состав нейтрона.

Особенности элементарных частиц Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. (массы порядка 10 -24 г и размеры менее 10 -15 см). Каждая элементарная частица, наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин (некоторыми характеристиками).

Характеристики частиц Масса частиц – от 0 (фотон) до 90 Гэв (Z-бозон); Время жизни - , в зависимости от делятся на стабильные (электрон, протон) и нестабильные (π-мезон); Спин – может принимать значения равное 0, полуцелое и целое значение; Электрический заряд – является величиной кратной заряду электрона; Внутренняя чётность – характеризует свойство симметрии волновой функции; «Аромат» и «цвет» – для описания 6 -ти типов кварков.

Фундаментальные частицы – микрочастицы, внутреннюю структуру которых нельзя представить в виде объединения других свободных частиц. Пример фундаментальной частицы – электрон. Протон и нейтрон не являются фундаментальными, так как по современным представлениям состоят из кварков.

Фундаментальные частицы 3 поколения кварков I II III Верхний u Очаровательный c Истинный t Нижний d Странный s Прелестный d 3 поколения лептонов I II III Электронное нейтрино Мюонное нейтрино Тау нейтрино Электрон Мюон Тау Бозоны (переносчики взаимодействия) Фотон Электромагнитное Глюон (8 глюонов) Сильное взаимодействие Z бозон (3 векторных бозона) Слабое взаимодействие Гравитон (гипотетич. ) Гравитационное взаимодействие

Взаимодействия и их характеристики: Сильное радиус действия 10 -15 м частицы переносчики р-мезоны; Электромагнитное радиус действия не ограничен частицы переносчики фотоны; Слабое радиус действия 10 -18 м частицы переносчики векторные бозоны; Гравитационное радиус действия не ограничен частицы переносчики гравитоны (гипотетическая частица, пока не обнаружена);