Скачать презентацию Лк_42 Строение атома Атом водорода является простейшим Скачать презентацию Лк_42 Строение атома Атом водорода является простейшим

Лк_42а.pptx

  • Количество слайдов: 31

Лк_42 Строение атома Лк_42 Строение атома

Атом водорода является простейшим атомом. Он состоит из протона и электрона, удерживаемых рядом электричес Атом водорода является простейшим атомом. Он состоит из протона и электрона, удерживаемых рядом электричес -кой силой. Эта очень простая система не может быть описана классической механикой и электродинамикой. Действительно, единственной возможностью существования протона и электрона на расстоянии друг от друга является вращение электрона вокруг протона (планетарная модель). Однако при таком движении электрон должен постоянно излучать ЭМ волны и терять энергию, что противоречит устойчивости атома и является нелепостью. Рассмотрим устройство атома с точки зрения квантовой механики. Локализация электрона в пределах атома означает неопределенность его импульса, причем ΔpΔz≈h. В данной формуле неопределенности Δz – размер атома, скажем, - длина орбиты электрона. Положим Δz=2πr, где r- радиус атома. Тогда Δp=h/2πr, и p=± Δ p

Интересно оценить величину энергии по (41. 16). Подставив значения величин, получим: Е=-21. 8*10 -19 Интересно оценить величину энергии по (41. 16). Подставив значения величин, получим: Е=-21. 8*10 -19 Дж. В микромире энергия измеряется в электронвольтах. 1 эв=1. 6*10 -19 Дж. Поэтому Е=-13. 6 эв. Удивительно, что эти рассуждения на основе принципа неопределенности дают правильный результат величины энергии. Уравнение движения электрона в атоме водорода - Это уравнение Шредингера, записанное для трехмерного движения (три пространственные координаты) с потенциальной энергией поля точечного заряда ядра.

Связь их с декартовыми показана на рисунке. Кроме того вместо параметров поступательного движения (масса, Связь их с декартовыми показана на рисунке. Кроме того вместо параметров поступательного движения (масса, импульс) используются параметры вращательного движения – момент инерции, момент импульса. При этом результаты решения оказываются в принципе похожи на те, которые мы получали в случае одномерного движения ограниченной частицы. Энергия и момент импульса электрона оказываются квантованными, т. е. могут принимать только дискретный ряд значений, определяемых тремя целыми числами: n, l, m.

 На рисунке показан график зависимости квадрата модуля радиальной компоненты волновой функции от расстояния На рисунке показан график зависимости квадрата модуля радиальной компоненты волновой функции от расстояния –r до ядра. Для некоторых расстояний имеем максимумы. Эти расстояния соответствуют атомным орбиталям.

На рисунке показаны рассчитанные формы орбиталей для различных значений l. Спектроскописты присвоили каждому из На рисунке показаны рассчитанные формы орбиталей для различных значений l. Спектроскописты присвоили каждому из возможных значений l букву: s, p, d, f. . .

 Магнитное квантовое число (mℓ) характеризует пространственную ориентацию атомной орбитали принимает значения: целых чисел Магнитное квантовое число (mℓ) характеризует пространственную ориентацию атомной орбитали принимает значения: целых чисел от –l до +l , включая 0. +1 s p mℓ=0 mℓ= 1, 0, -1 0 d mℓ= 2, 1, 0, -1, 2 -1 f -орбиталь mℓ= 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3

Каждому значению главного квантового числа n соответствует энергетический уровень. Кроме того, каждому n соответствует Каждому значению главного квантового числа n соответствует энергетический уровень. Кроме того, каждому n соответствует n возможных значений l. Значения энергии с одинаковыми n и различны-ми l называются энергетическими подуровнями.

Для каждого значения l разрешено (2 l + 1) значений m. Например, l=4 (f Для каждого значения l разрешено (2 l + 1) значений m. Например, l=4 (f – подуровень). Тогда возможные значения m следующие: -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4 Получаем 9 возможных ориентаций орбитали f. Все орбитали одного подуровня l при отсутствии внешнего магнитного поля обладают одинаковой энергией, но по разному ориентированы относительно друга

 Излучение и поглощение света атомами. Электрон, находящийся на энергетическом уровне выше основного (n>1), Излучение и поглощение света атомами. Электрон, находящийся на энергетическом уровне выше основного (n>1), может с определенной вероятностью и перейти на более низкий энергетический уровень и испустить фотон. Такой процесс называется спонтанным излучением. Если у атома водорода два уровня различаются по энергии на несколько электронвольт, то амплитуда вероятности перехода между этими уровнями оказывается такой, что типичное время, необходимое для процесса испускания фотона, составляет порядка 10 -8 с.

Если фотон испускается в результате перехода между уровнями с энергиями Еn 1> и Еn Если фотон испускается в результате перехода между уровнями с энергиями Еn 1> и Еn 2, то его энергия будет равна разности энергий электрона на этих уровнях: hν= Еn 1 - Еn 2 (42. 6) Это соотношение определяет частоту колебаний или длину волны фотона. Исследуя спектры излучения атомов, т. е. измеряя длины волн испускаемого света удается определить энергии их энергетических уровней.

Стрелками показаны переходы атома водорода между различными энергетическими уровнями и соответствующие этим переходам спектральные Стрелками показаны переходы атома водорода между различными энергетическими уровнями и соответствующие этим переходам спектральные серии. Серия Лаймана (n 1=1) целиком находится в ультрафиолетовой области. Серия Бальмера (n 1=2) занимает видимую часть спектра. Серия Пашена (n 1=3) находится в инфракрасной части спектра.

Пятиминутка: Рассчитать длины волн в спектре излучения атома водорода, соответствующих переходам серии Бальмера. Постоянную Пятиминутка: Рассчитать длины волн в спектре излучения атома водорода, соответствующих переходам серии Бальмера. Постоянную Ридберга для 1/λ равна Rν=1. 097*107 м-1.

Спин. Фундаментальные природные закономерности: законы сохранения энергии, импульса, момента импульса являются выражением свойств времени Спин. Фундаментальные природные закономерности: законы сохранения энергии, импульса, момента импульса являются выражением свойств времени и пространства. Закон сохранения энергии – следствие однородности времени. Закон сохранения импульса – следствие однородности пространства. Закон сохранения момента импульса – следствие изотропности пространства (свойства пространства одинаковы во всех направлениях). Ограничение субнаночастицы в пространстве, как мы видели, приводит к сюрпризу: квантовонности ее импульса (импульс изменяется только скачками и не может быть нулевым).

Аналогичный сюрприз можно ожидать от вращательного движения частицы. Ее момент импульса также будет квантован Аналогичный сюрприз можно ожидать от вращательного движения частицы. Ее момент импульса также будет квантован и иногда не сможет принимать нулевого значения. Это означает, что частица будто бы всегда вращается. Для количественного выражения этого вращения вводится параметр - спин. Аналогично тому , как импульс частицы пропорционален постоянной планка. Момент импульса (точнее, его проекция) определяется через эту же постоянную: L=ħs, где коэффициент s –спиновое число частицы. Проявление спина электрона было обнаружено в опытах экспериментально.

Значение спинового числа (s) определяется свойствами симметрии частицы. Если она абсолютно симметрична, т. е. Значение спинового числа (s) определяется свойствами симметрии частицы. Если она абсолютно симметрична, т. е. при повороте на любой угол совещается с собой (шар), то s=0. Если для самосовмещения частицы ее достаточно повернуть на 180 о (например, заточенный с двух сторон карандаш), то спиновое число равно 2. Если для самосовмещения требуется поворот на 360 о (заточенный с одной стороны карандаш), то s=1. Такие частицы названы бозонами. Фотон–бозон. Можно представить ситуацию в которой для самосовмещение необходим поворот на 720 о. В этом случае s=1/2. Такие частицы называют фермионами. Электрон - фермион.

С учетом спинового числа состояние электрона в атоме характеризуется 4 квантовыми числами, которые обозначаются С учетом спинового числа состояние электрона в атоме характеризуется 4 квантовыми числами, которые обозначаются n, l, m, s. Между первыми тремя имеется связь: n – натуральное число: 1, 2, 3…; l=0, 1, . . n-1; m=±l, ±(l-1), … 0. Возможное состояние электрона называется орбиталью (по аналогии с орбитой планеты, можно условно считать, что строение атома аналогично строению планетной системы). Для понимания строений атомов определяющее значение имеет т. н. принцип Паули.

При нцип Па ули (принцип запрета) - один из фундаментальных законов природы. Два и При нцип Па ули (принцип запрета) - один из фундаментальных законов природы. Два и более тождественных фермиона (частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Если речь идет об атоме, то в нем не могут быть два или более электрона с одинаковой четверкой квантовых чисел. Поскольку электроны занимают орбитали с наименьшими энергиями, можно определить электронное строение любого атома в невозбужденном состоянии.

Рассмотрим строение атомов, опираясь на таблицу Менделеева. Из нее видно, что периоды повторения химических Рассмотрим строение атомов, опираясь на таблицу Менделеева. Из нее видно, что периоды повторения химических и физических свойств элементов образуют последовательность чисел 2, 8, 8, 18, 32. Как увидим в дальнейшем, номер периода в таблице – это максимальная величина главного квантового числа – n. Положение элемента внутри периода определяется количеством электронов в его атоме. Количество электронов равно порядковому номеру элемента в таблице. Все электроны должны распределиться по возможным орбиталям, удовлетворяя принципу Паули.

Для упрощения процесса заполнения электронных оболочек имеется энергетическая диаграмма Хунда. С ее помощью можно Для упрощения процесса заполнения электронных оболочек имеется энергетическая диаграмма Хунда. С ее помощью можно определить электронную структуру любого атома, последовательно заполняя ячейки диаграммы, пока общее число электронов не станет равно порядковому номеру элемента.

Спин электрона в атоме подчиняется правилу Хунда: Суммарное значение спинового квантового числа электронов данной Спин электрона в атоме подчиняется правилу Хунда: Суммарное значение спинового квантового числа электронов данной орбитали должно быть максимальным. Это означает, что пока на орбитали находится половина или меше половины возможного числа электронов спины их будут одинаковы. Вторая половина орбитали заполняется электронами с противоположным первой половине спином. Для примера рассмотрим 22 элемент Ti. Разместим 22 электрона в порядке возрастания энергии по ячейкам диаграммы Хунда. Каждый электрон изобразим стрелкой, указывающей направление спина. Увидим, что на диаграмме будут заняты ячейки до 3 d, где расположатся 2 электрона.

Электронная структура атома Титана (Ti). Порядковый номер в таблице Менделеева - 22. Е Ячейки Электронная структура атома Титана (Ti). Порядковый номер в таблице Менделеева - 22. Е Ячейки диаграммы Хунда

Пятиминутка. Составить строение электронной оболочки элементов: В, Cl. Проверка: Сl В 35 11 0 Пятиминутка. Составить строение электронной оболочки элементов: В, Cl. Проверка: Сl В 35 11 0 0 2 p 1 2 s 2 1 s 2 +17 +5 2 8 7 3 2 s 2 1 s 2 2 p 6 3 p 5 3 s 2 1 s 22 p 1 1 s 22 p 63 s 23 p 5 3 d 0 Вал. ē - 3 Вал. ē - 7

I. Обозначения электронных оболочек Подуровень включает в определяется главным - Энергетический уровеньсебя возможные орбитали, I. Обозначения электронных оболочек Подуровень включает в определяется главным - Энергетический уровеньсебя возможные орбитали, отличающиеся квантовым числом l. квантовым числом n. Первый уровень s 1 s – подуровень 31 +15 Р 2 0 Второй уровень 2 s – подуровень s 2 р – подуровень р 8 2 8 5 Третий уровень 3 s – подуровень s р 3 р – подуровень 5 3 d – подуровень d

Рассмотрим строение атомов, опираясь на таблицу Менделеева. Из нее видно, что периоды повторения химических Рассмотрим строение атомов, опираясь на таблицу Менделеева. Из нее видно, что периоды повторения химических и физических свойств элементов образуют последовательность чисел 2, 8, 8, 18, 32. Как увидим в дальнейшем, номер периода в таблице – это максимальная величина главного квантового числа – n. Положение элементов внутри периода определяется количеством электронов в их атомах. Все электроны должны распределиться по возможным орбиталям, удовлетворяя принципу Паули.