Состояние электронов в атоме. Электрон в атоме


ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ

     Электроны в атоме можно сравнить с облачком. Это связано с тем, что электроны обладают свойствами не только частиц, «кусочков» материи, но и свойствами волн. Электронные облачка слоями окружают ядро и расположены на строго определённых от него расстояниях. Учёные долго не могли объяснить, почему промежутки между ядром и электронами так строго определены и почему вообще каждый атом со всеми его электронными оболочками имеет всегда одни и те же размеры. Ответ на эту загадку тоже связан, как выяснилось, с волновыми свойствами электронов, с тем, что все части атома имеют свои постоянные места. 

     Но не думай, что электроны навечно закреплены на этих местах. Нет, они могут перескакивать с одной оболочки на другую. При этом происходят удивительные вещи. Если электрон удаляется от ядра, его энергия возрастает, если приближается— убывает. Это изменение энергии происходит не постепенно, а внезапно, скачком. Энергия прибавляется или убавляется совершенно определёнными порциями, которые называются квантами. Значит, перескакивая ближе к ядру, электрон выделяет один квант энергии, а чтобы уйти дальше от ядра, он должен, наоборот, получить откуда- то, «поглотить» один квант. Что же это за кванты? Если ты уже читал рассказ «свет», то, вероятно, обратил внимание, что свет — это одновременно и волны, и частицы, которые носят название фотонов. Вот фотоны — это и есть кванты света, то есть наименьшие порции излучения. 

     Теперь тебе, должно быть, стало понятнее то, о чём коротко упомянуто в рассказе о свете, понятнее, как происходит излучение и поглощение света. Перескакивая ближе к ядру, электроны излучают свет. А когда вещество поглощает свет, они перескакивают на орбиты дальше от ядра. При этом электроны обогащаются энергией, и вещество нагревается. Чем энергичнее электроны движутся, тем чаще совершают скачки, в тем выше температура тела. Вот почему, поглощая много света, вещество нагревается сильнее. У каждого вещества своё расстояние между электронными оболочками и, значит, своя величина квантов, своя длина излучаемых световых волн, то есть свой цвет световых волн. И поэтому же каждое вещество лучше всего поглощает какие-то определённые лучи: одно — красные, другое — зелёные, а третье — невидимые ультрафиолетовые. Электроны не только перескакивают с орбиты на орбиту, иногда они совсем отрываются от атома. Например, в металле все атомы отдают часть своих электронов «в общий котёл». Эти свободные электроны движутся между атомами, переносят тепло и электрический 

     Наконец, электроны порой вообще покидают своё вещество, тогда они могут лететь в пространстве с огромной скоростью. И тут опять проявляется сложная, противоречивая природа электрона. Экран телевизора светится потому, что изнутри на него направлен электронный луч. Этот луч можно опускать и поднимать, сдвигать вправо или влево. Электроны при этом ведут себя как частицы, которые послушно летят точно туда, куда их посылают. 

     Такой же поток электронов будет двигаться совсем иначе, если его направить внутрь вещества. Пролетая между атомами или приближаясь к ним, этот поток может огибать препятствия, как волны на воде. Электрон, как всегда, непостоянен: то он похож на частицу, то на волну. Это зависит от размеров предметов, среди которых он движется. Телевизионная трубка относительно велика — там электрон — частица. Расстояние между атомами вещества несравнимо меньше —там электрон скорее волна. Чтобы получить поток электронов, надо, например, нагреть вещество, как нагревают катод электронной лампы. Это значит, что надо затратить энергию. И от атома оторвать электрон часто совсем непросто, для этого нужна энергия — ведь электроны довольно прочно удерживаются в атоме. Ты можешь спросить: а что держит их в атоме? Почему они не улетают прочь? Напомним: и электроны, и ядро имеют электрические заряды, и притом не одинаковые, а разные: ядро заряжено положительно, а электроны — отрицательно. Такие разноимённые, как их называют, заряды притягивают друг друга. Электрон — это как бы единица отрицательного электричества, он имеет самый маленький из всех возможных отрицательных зарядов.

     Форум по электронике

   Обсудить статью ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ

radioskot.ru

ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ

     Электроны в атоме можно сравнить с облачком. Это связано с тем, что электроны обладают свойствами не только частиц, «кусочков» материи, но и свойствами волн. Электронные облачка слоями окружают ядро и расположены на строго определённых от него расстояниях. Учёные долго не могли объяснить, почему промежутки между ядром и электронами так строго определены и почему вообще каждый атом со всеми его электронными оболочками имеет всегда одни и те же размеры. Ответ на эту загадку тоже связан, как выяснилось, с волновыми свойствами электронов, с тем, что все части атома имеют свои постоянные места. 

     Но не думай, что электроны навечно закреплены на этих местах. Нет, они могут перескакивать с одной оболочки на другую. При этом происходят удивительные вещи. Если электрон удаляется от ядра, его энергия возрастает, если приближается— убывает. Это изменение энергии происходит не постепенно, а внезапно, скачком. Энергия прибавляется или убавляется совершенно определёнными порциями, которые называются квантами. Значит, перескакивая ближе к ядру, электрон выделяет один квант энергии, а чтобы уйти дальше от ядра, он должен, наоборот, получить откуда- то, «поглотить» один квант. Что же это за кванты? Если ты уже читал рассказ «свет», то, вероятно, обратил внимание, что свет — это одновременно и волны, и частицы, которые носят название фотонов. Вот фотоны — это и есть кванты света, то есть наименьшие порции излучения. 

     Теперь тебе, должно быть, стало понятнее то, о чём коротко упомянуто в рассказе о свете, понятнее, как происходит излучение и поглощение света. Перескакивая ближе к ядру, электроны излучают свет. А когда вещество поглощает свет, они перескакивают на орбиты дальше от ядра. При этом электроны обогащаются энергией, и вещество нагревается. Чем энергичнее электроны движутся, тем чаще совершают скачки, в тем выше температура тела. Вот почему, поглощая много света, вещество нагревается сильнее. У каждого вещества своё расстояние между электронными оболочками и, значит, своя величина квантов, своя длина излучаемых световых волн, то есть свой цвет световых волн. И поэтому же каждое вещество лучше всего поглощает какие-то определённые лучи: одно — красные, другое — зелёные, а третье — невидимые ультрафиолетовые. Электроны не только перескакивают с орбиты на орбиту, иногда они совсем отрываются от атома. Например, в металле все атомы отдают часть своих электронов «в общий котёл». Эти свободные электроны движутся между атомами, переносят тепло и электрический 

     Наконец, электроны порой вообще покидают своё вещество, тогда они могут лететь в пространстве с огромной скоростью. И тут опять проявляется сложная, противоречивая природа электрона. Экран телевизора светится потому, что изнутри на него направлен электронный луч. Этот луч можно опускать и поднимать, сдвигать вправо или влево. Электроны при этом ведут себя как частицы, которые послушно летят точно туда, куда их посылают. 

     Такой же поток электронов будет двигаться совсем иначе, если его направить внутрь вещества. Пролетая между атомами или приближаясь к ним, этот поток может огибать препятствия, как волны на воде. Электрон, как всегда, непостоянен: то он похож на частицу, то на волну. Это зависит от размеров предметов, среди которых он движется. Телевизионная трубка относительно велика — там электрон — частица. Расстояние между атомами вещества несравнимо меньше —там электрон скорее волна. Чтобы получить поток электронов, надо, например, нагреть вещество, как нагревают катод электронной лампы. Это значит, что надо затратить энергию. И от атома оторвать электрон часто совсем непросто, для этого нужна энергия — ведь электроны довольно прочно удерживаются в атоме. Ты можешь спросить: а что держит их в атоме? Почему они не улетают прочь? Напомним: и электроны, и ядро имеют электрические заряды, и притом не одинаковые, а разные: ядро заряжено положительно, а электроны — отрицательно. Такие разноимённые, как их называют, заряды притягивают друг друга. Электрон — это как бы единица отрицательного электричества, он имеет самый маленький из всех возможных отрицательных зарядов.

     Форум по электронике

   Обсудить статью ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ

radioskot.ru

Состояние электронов в атоме

Электронное строение атома и энергия электронов

Электронное строение атома определяется энергией электронов, а также вероятностью их нахождения в каждой точке пространства вблизи ядра. Поведение электронов в атоме описывается с помощью квантовой механики, главный постулат которой – все микрочастицы имеют волновую природу, а волны – свойства частиц (корпускулярно – волновой дуализм).

Масса (m) любой частицы и ее скорость (v) связаны с длиной волны (λ) уравнением де Бройля:

λ=h / m × v,

где h – постоянная Планка (6,62 × 10-34 Дж × с).

Второй постулат квантовой механики говорит о том, что невозможно одновременно точно определить положение и импульс электрона (принцип неопределенности Гейзенберга). Погрешности в определении координаты (Δx) и импульса (Δmv) связаны соотношением:

Δx × Δmv ≥ = 1,05 × 10-34 Дж × с

В-третьих, энергия электронов меняется квантами (порциями).

Поскольку квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра, а быстродвижущийся электрон может находиться в любой области пространства, то если бы удалось сфотографировать через малые промежутки времени положение электрона в атоме и наложить полученные снимки друг на друга, то получилась бы картина электронного облака.

Электронное облако — квантовомеханическая модель, описывающая состояние электрона в атоме. Плотность электронного облака неравномерна (рис. 1). Пространство, вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. В нем заключено 90% электронного облака.

Рис. 1. Электронное облако атома водорода с неравномерной плоностью.

Располагаясь на азличных расстояниях от ядра электроны образуют энергетические слои (энергетические уровни). Их нумеруют, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или обозначают буквами: K, L, M, N, O, P, Q.

Квантовые числа

Состояние электрона в атоме можно описать с помощью четырех квантовых чисел (табл. 1). Целое число n, обозначающее номер уровня, называют главным квантовым числом. Оно характеризует энергию электронов, которые занимают конкретный энергетический уровень. Наименьшая энергия характерна для электронов, максимально близко расположенных к ядру. Число энергетических уровней в атоме определяется номером периода, в котором находится элемент. Наибольшее число электронов на энергетическом уровне можно определить по формуле:

N = 2n2,

где N – число электронов, n – главное квантовое число.

Таблица 1. Квантовые числа, характеризующие состояние электрона в атоме

Квантовое число

Принимаемые значения

Характеризуемое свойство

Примечание

Главное (n)

1,2,3,… , ∞

Энергия уровня, среднее расстояние от ядра

n=∞ — нет взаимодействия с ядром

Орбитальное (l)

0, 1,… , (n-1)

Орбитальный момент количества движения – форма орбитали

Обычно используют буквенные символы: 0 (s), 1 (p), 2 (d), 3 (f)

Магнитное (ml)

-l,… , 0,… , +l

Ориентация момента количества движения – расположение орбитали в пространстве

При помещении в магнитное поле, орбитали с различным ml имеют различную энергию

Спиновое (ms)

Ориентация собственного магнитного момента

Обозначают ↑ или↓

Состояние электронов в атомах определяется принципом Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех квантовых чисел. Последовательность заполнения орбиталей электронами определяется правилами Клечковского: орбитали заполняются электронами в порядке возрастания суммы (n+l) для этих орбиталей, если сумма (n+l) одинакова, то первой заполняется орбиталь с меньшим значением n.

Электронная формула

Строение электронной оболочки изображается электронной формулой, которая показывает распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням. Число электронов на подуровне обозначается цифрой, которая записывается справа вверху от буквы, показывающей подуровень. Например, атом водорода имеет один электрон, который расположен на s-подуровне 1-го энергетического уровня: 1s1. Электронная формула гелия, содержащего два электрона записывается так: 1s2.

У элементов второго периода электроны заполняют 2-й энергетический уровень, на котором могут находиться не более 8-ми электронов. Вначале электроны заполняют s-подуровень, потом – p-подуровень. Например:

3Li 1s22s1

5B 1s22s22p1

У атомов некоторых элементов, наблюдается явление «проскока» электрона с внешнего энергетического уровня на предпоследний. Проскок электрона происходит у атомов меди, хрома, палладия и некоторых других элементов. Например:

24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1

Задания:

1. Написать электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами: 23, 27, 29.

2. Атомы элементов имеют следующие электронные формулы: 1s22s22p4 и 1s22s22p63s 23p63d54s1. Определить порядковый номер элемента, а также семейство и группу, к которым они относятся.

Ответы :

1. 23Ti 1s22s22p63s23p63d34s2

27Co 1s22s22p63s23p63d74s2

29Cu 1s22s22p63s23p63d104s1

2. Суммарное число электронов на всех подуровнях равно порядковому номеру элемента. В первом случае число электронов равно 8, следовательно, это кислород, он находится в VI группе, главной подгруппе и относится к семейству p-элементов. Во втором случае сумма электронов равна 24, значит это хром, он находится в в VI группе, побочной подгруппе и относится к семейству d-элементов.

ru.solverbook.com

Электрон в атоме - 2mb.ru

Электрон — стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества.

Название Значение Обозначение Размерность
Масса покоя электрона 9.109389754 mb 10-31 кг
Масса покоя электрона в атомных единицах массы 5.4857990313 mb 10-4а.е.м.
Масса покоя электрона в электронвольтах 0.5109990615 mb — тес /{е} МэВ
Отношение массы электрона к массе мюона 4.8363321871 me /mμ 10—3
Отношение массы электрона к массе протона 5.4461701311 me /mp 10—4
Отношение массы электрона к массе дейтрона 2.724437076 me /md 10—4
Отношение массы электрона к массе альфа-частицы 1.370933543 me /ma 10—4
Отношение заряда электрона к его массе -1.7588196253 -е /mb 1011Кл×кг’
Молярная масса электрона 5.4857990313 М(е) 10 —7кг/моль
Комптоновская длина волны электрона 42.4263105822 λс — h/mec 10—12м
Классический радиус электрона 2.8179409238 Rb — a2a0 10-15М
Томсоновское сечение рассеяния 0.6652461618 σ — (8π/3)r2e 10—28м2
Магнитный момент электрона 928.4770131 μb 10—28Дж×Тл—1
Магнитный момент электрона в магнетонах Бора 1.001159652 μb /μβ 10—28Дж×Тл—1
Магнитный момент электрона в ядерных магнетонах 193101838.282 μb /μn 10—28Дж×Тл—1

Электроном называется отрицательно заряженная частица, являющаяся одной из образующих вещество единиц. Электрон стабилен, относится к фермионам (иными словами, его спин ½).А среди лептонов электрон является единственной стабильной частицей.

Электроны образуют оболочку атомов, и их положение, равно как и число, является определяющим значением для химических свойств материала. А движение незакрепленных электронов порождает электрический ток в проводниках.

Электрон: интересные факты

  • Название этой элементарной частицы происходит от греческого термина, в переводе обозначающего «янтарь». Дело в том, что в Древней Греции ученые проводили опыты: они терли шерстью большие куски янтаря, и они после процедур начинали притягивать мелкие куски бумаги и прочие предметы.
  • Сам термин «электрон», в качестве обозначения фундаментальной единицы в электрохимии появился в 1894 году. Предложил его ученый Дж. Стоуни.
  • Открытие электрона официально принадлежит сразу двум ученым – Дж. Томпсону и Э. Вихерту. Благодаря им также стало известно: в случае катодных лучей отношение заряда к массе от источника ничуть не зависит.

2mb.ru

Структура атома. Энергетические уровни атома. Протоны, нейтроны, электроны

Название «атом» с греческого переводится как «неделимый». Все вокруг нас – твердые вещества, жидкости и воздух – построено из миллиардов этих частиц.

Появление версии об атоме

Впервые об атомах стало известно в V столетии до нашей эры, когда греческий философ Демокрит предположил, что материя состоит из движущихся крошечных частичек. Но тогда не было возможности проверить версию их существования. И хотя никто не мог увидеть эти частицы, идея обсуждалась, ведь только так ученые могли объяснить процессы, происходящие в реальном мире. Поэтому они верили в существование микрочастиц задолго до того времени, когда смогли доказать этот факт.

Только в XIX в. они стали анализироваться как мельчайшие составляющие химических элементов, имеющие конкретные свойства атомов — способность вступать в соединения с другими в строго назначенном количестве. Вначале XX века считалось, что атомы – минимальные частички материи, пока не было доказано, что они состоят из еще меньших единиц.

Из чего состоит химический элемент?

Атом химического элемента – микроскопический строительный кирпичик материи. Определяющим признаком этой микрочастицы стала молекулярная масса атома. Только открытие периодического закона Менделеева обосновало, что их виды представляют собой разнообразные формы единой материи. Они настолько малы, что их невозможно увидеть, применяя обычные микроскопы, только самые мощные электронные приборы. Для сравнения, волосок на руке человека в миллион раз шире.

Электронная структура атома имеет ядро, состоящее из нейтронов и протонов, а также электронов, которые совершают обороты вокруг центра на постоянных орбитах, как планеты вокруг своих звезд. Все они скреплены электромагнитной силой, одной из четырех главных во вселенной. Нейтроны – это частички с нейтральным зарядом, протоны наделены положительным, а электроны – отрицательным. Последние притягиваются к положительно заряженным протонам, поэтому им свойственно оставаться на орбите.

Структура атома

В центральной части имеется ядро, заполняющее минимальную часть всего атома. Но исследования показывают, что почти вся масса (99.9%) расположена именно в нем. Каждый атом содержит протоны, нейтроны, электроны. Число вращающихся электронов в нем равняется положительному центральному заряду. Частицы с одинаковым зарядом ядра Z, но различными атомной массой А и числом нейтронов в ядре N именуются изотопами, а с одинаковой А и разными Z и N – изобарами. Электрон — минимальная частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10-19 кулона. Заряд иона определяет количество утраченных или прибавленных электронов. Процесс метаморфозы нейтрального атома в заряженный ион именуется ионизацией.

Новая версия модели атома

Физики открыли на сегодняшний день множество других элементарных частичек. Электронная структура атома имеет новую версию.

Считается, что протоны и нейтроны, какими бы маленькими они не были, состоят из наименьших частичек, которые называются – кварки. Они составляют новую модель построения атома. Как раньше ученые собирали доказательства для существования предыдущей модели, так и сегодня пытаются доказать существование кварков.

РТМ – прибор будущего

Современные ученые могут увидеть на мониторе компьютера атомные частички вещества, а также двигать их по поверхности, используя специальный инструмент, который носит название растровый туннельный микроскоп (РТМ).

Это компьютеризированный инструмент с наконечником, который очень осторожно движется возле поверхности материала. Когда наконечник движется, электроны перемещаются сквозь зазор между наконечником и поверхностью. Хотя материал выглядит совершенно гладким, на самом деле он неровный на атомном уровне. Компьютер делает карту поверхности вещества, создавая образ его частичек, и ученые, таким образом, могут увидеть свойства атома.

Радиоактивные частицы

Отрицательно заряженные ионы кружатся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Структура атома такая, что целый он действительно нейтральный и не имеет электрического заряда, потому что все его частицы (протоны, нейтроны, электроны) находятся в балансе.

Радиоактивный атом – это элемент, который можно легко расщепить. Центр его состоит из множества протонов и нейтронов. Исключение являет собой только схема атома водорода, который имеет один единственный протон. Ядро окружает облако электронов, именно их притяжение заставляет вращаться вокруг центра. Протоны одинаковым зарядом отталкивают друг друга.

Это не проблема для большинства небольших частиц, у которых их несколько. Но некоторые из них нестабильны, особенно это касается крупных по размеру, таких как уран, который имеет 92 протона. Иногда его центр не выдерживает такой нагрузки. Радиоактивным они называются из-за того, что выбрасывают несколько частиц из своего ядра. После того, как нестабильное ядро избавилось от протонов, оставшиеся образовывают новое дочернее. Оно может быть стабильным в зависимости от количества протонов в новом ядре, а может делиться дальше. Этот процесс длится до тех пор, пока не останется стабильное дочернее ядро.

Свойства атомов

Физико-химические свойства атома закономерно изменяются от одного элемента к другому. Они определяются следующими основными параметрами.

Атомная масса. Так как основное место микрочастицы занимают протоны и нейтроны, то сумма их обусловливает число, которую выражают в атомных единицах массы (а.е.м.) Формула: A = Z + N.

Атомный радиус. Радиус находится в зависимости от расположения элемента в системе Менделеева, химической связи, количества атомов-соседей и квантовомеханического действия. Радиус ядра в сто тысяч раз меньше радиуса самого элемента. Структура атома может лишаться электронов и превращаться в положительный ион или добавлять электроны, и становиться отрицательным ионом.

В периодической системе Менделеева любой химический элемент занимает свое установленное место. В таблице размер атома возрастает при перемещении сверху вниз и убавляется при перемещении слева направо. Следуя из этого, наименьший элемент — это гелий, а наибольший — цезий.

Валентность. Наружная электронная оболочка атома именуется валентной, а электроны в ней получили соответственное название - валентные электроны. Их количество устанавливает то, как атом соединяется с остальными с помощью химической связи. Способом создания последней микрочастицы пытаются наполнить свои наружные валентные оболочки.

Гравитация, притяжение – это сила, которая держит планеты на орбите, из-за нее выпущенные из рук предметы падают на пол. Человек больше замечает гравитацию, но электромагнитное действие во много раз мощнее. Сила, которая притягивает (или отталкивает) заряженные частицы в атоме, в 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз мощнее, чем гравитация в нем. Но в центре ядра существует еще более могучая сила, способная удерживать протоны и нейтроны вместе.

Реакции в ядрах создают энергию как в ядерных реакторах, где атомы расщепляются. Чем тяжелее элемент, тем из большего количеств частиц построены его атомы. Если сложить общее количество протонов и нейтронов в элементе, узнаем его массу. Например, Уран, самый тяжелый элемент, имеющийся в природе, имеет атомную массу 235 или 238.

Деления атома на уровни

Энергетические уровни атома - это величина пространства вокруг ядра, где в движении находится электрон. Всего существует 7 орбиталей, соответствующих числу периодов в таблице Менделеева. Чем более отдаленное расположение электрона от ядра, тем более значительным резервом энергии он владеет. Номер периода указывает на число атомных орбиталей вокруг его ядра. Например, Калий — элемент 4 периода, значит, он имеет 4 энергетические уровни атома. Номер химического элемента отвечает его заряду и числу электронов вокруг ядра.

Атом – источник энергии

Наверное, самая знаменитая научная формула открыта немецким физиком Эйнштейном. Она утверждает, что масса есть не что иное, как форма энергии. Исходя из этой теории, можно превратить материю в энергию и рассчитать по формуле, сколько ее можно получить. Первым практическим результатом такого превращения стали атомные бомбы, которые сначала были испытаны в пустыне Лос-Аламос (США), а затем взорвались над японскими городами. И хотя только седьмая часть взрывчатого вещества превратилась в энергию, разрушающая сила атомной бомбы была ужасной.

Для того чтобы ядро освободило свою энергию, оно должно разрушится. Чтобы расщепить его, необходимо подействовать нейтроном снаружи. Тогда ядро распадается на два других, более легких, обеспечивая при этом огромный выброс энергии. Распад приводит к освобождению других нейтронов, а они продолжают расщеплять другие ядра. Процесс превращается в цепную реакцию, в результате создавая огромное количество энергии.

Плюсы и минусы использования ядерной реакции в наше время

Разрушающую силу, которая освобождается при превращении материи, человечество пытается приручить на атомных станциях. Здесь ядерная реакция происходит не в виде взрыва, а как постепенная отдача тепла.

Производство атомной энергии имеет свои плюсы и минусы. По мнению ученых, чтобы поддерживать нашу цивилизацию на высоком уровне, необходимо использовать этот огромный источник энергии. Но следует учитывать и то, что даже самые современные разработки не могут гарантировать полной безопасности атомных электростанций. Кроме того, полученные в процессе производства энергии радиоактивные отходы при ненадлежащем хранении могут сказываться на наших потомках на протяжении десятков тысяч лет.

После аварии на Чернобыльской АЭС все больше людей считает производство атомной энергии очень опасным для человечества. Единственной безопасной электростанцией такого рода является Солнце со своей ядерной энергией огромной мощности. Ученые разрабатывают всевозможные модели солнечных батарей, и, возможно, в недалеком будущем человечество сможет обеспечить себя безопасной атомной энергией.

fb.ru

Атом - Общая и неорганическая химия

Атом - частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Понадобилось чуть меньше 100 лет после принятия атомистической теории строения вещества, чтобы на границе следующих веков - XIX и XX - ученые сначала предположили, а затем доказали сложное строение атома. Оказалось, что атомы состоят из более мелких частиц. Английский физик Дж. Томсон впервые предложил модель атома, состоящего из заряженных частиц (1898 г.). Он практически открыл существование отрицательно заряженной частицы, присутствующей во всех веществах и названной затем электроном (от греч. electron - янтарь, как вещество, легко электризующееся при трении). В планетарной модели атома английского физика Э. Резерфорда (1911 г.) была впервые зафиксирована идея о существовании компактного положительно заряженного ядра, т.е. о концентрации массы и заряда в ничтожно малой части пространства внутри атома. Было установлено, что объем ядра примерно в 100 000 раз меньше объема всего атома.

В 1913 г. на основании экспериментальных результатов изучения Длин волн рентгеновского излучения различных металлов английский Ученый Г. Мозли высказал предположение о том, что основной характеристикой атома является заряд ядра, который увеличивается на единицу при переходе от одного элемента Периодической системы к следующему. К тому времени элементы располагались в Периодической системе в порядке увеличения атомных масс (в старой терминологии - атомных весов), в некоторых случаях элементу с меньшей атомной массой предшествовал элемент с большой атомной массой, в этих случаях порядок определялся сходством химических свойств. Г. Мозли предложил термин «атомный номер» (символ Z), который, как известно, равен числу протонов (от греч. proton - первый) в ядре, подведя, таким образом, теоретическую базу под систематизацию элементов в Периодической системе.

Экспериментально было установлено, что заряд протона равен заряду электрона по абсолютной величине. Поскольку атомы электронейтральны, стало ясно, что число протонов в атоме равно числу электронов. Масса электрона составляет приблизительно 1/1840 массы протона. Масса атома водорода совпадает с массой протона, однако массы многих легких атомов примерно в 2 раза больше суммарной массы содержащихся в них протонов. В связи с этим было сделано предположение о существовании электронейтральной частицы с массой, примерно равной массе протона. Она была открыта в 1932 г. английским физиком Д.Чедвиком и названа нейтроном (от греч. neut-гит - ни то, ни другое). Параметры фундаментальных частиц представлены в табл. 1.

Таблица 1. Абсолютные и относительные значения масс и зарядов частиц, из которых состоит атом

Частица Масса, кг Массовое число Заряд, Кл Относительный заряд
Протон 1,673·10-27 1 +1,6·10-19 +1
Нейтрон 1,675·10-27 1 0 0
Электрон 0,911·10-31 0 -1,6·10-19 -1
Частицы, из которых состоит ядро, - протоны и нейтроны - называются нуклонами (от лат. nucleus - ядро). Массу атомов составляют в основном протоны и нейтроны, поэтому сумма числа протонов и нейтронов называется массовым числом.

Атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но содержащие в ядре разное число протонов (изобары), являются атомами разных элементов. Например, атом с массовым числом 58, имеющий в ядре 27 протонов и 31 нейтрон, принадлежит кобальту, а атом с тем же массовым числом 58, имеющий в ядре 28 протонов и 30 нейтронов, принадлежит никелю.

 

Состояние электрона в атоме

Решение волнового уравнения Шредингера приводит к определению состояния электрона с помощью четырех квантовых чисел, два из которых были предложены еще до представлений о корпускулярно-волновом дуализме электрона.

Первое (главное) квантовое число (n) характеризует удаленность электрона от ядра, т. е. размер орбитали. Чем больше значение главного квантового числа, тем электрон в среднем находится все дальше от ядра и тем большим запасом энергии он обладает. Разница в энергии между орбиталями, отличающимися значениями главного квантового числа, убывает по мере возрастания n. Главное квантовое число характеризует энергетический уровень орбитали, оно может принимать значения целых положительных чисел от 1 до +∞. При n → ∞ электрон полностью преодолевает притяжение со стороны ядра и отрывается от атома, который превращается в положительно заряженный ион. Максимально возможное значение n для электронов невозбужденного атома данного элемента соответствует номеру периода, в котором находится этот элемент, например для водорода n = 1, для серы n = 3, для свинца n = 6.

Чем больше значение n, тем большее число электронов может находиться на данном энергетическом уровне. Емкость энергетического уровня вычисляют по формуле 2n2. Таким образом, на первом энергетическом уровне могут находиться максимально 2·12 = 2 электрона, на втором - 2·22 = 8 электронов, на третьем - 2·32 = 18 электронов, на четвертом - 2·42 = 32 электрона.

При значениях n > 1 наблюдается расщепление энергетического уровня на подуровни. Это означает, что электроны, находящиеся на одном энергетическом уровне, несколько отличаются по запасу энергии и, как следствие этого, различаются формами атомных орбиталей.

Второе (орбитальное, побочное) квантовое число может принимать значения целых чисел в диапазоне 0 < l < n - 1. Число орбиталей, находящихся на данном энергетическом подуровне, рассчитывают по формуле 2l + 1. Например, при n = 2 возможны два значения l: 0 и 1. На энергетическом подуровне при l = 0 находится только одна орбиталь: 2·0 + 1 = 1; на подуровне при l = 1 их будет три: 2·1 + 1 = 3. Число подуровней на данном энергетическом уровне равно главному квантовому числу этого уровня.

Для второго квантового числа наиболее распространенными являются не цифровые, а буквенные обозначения: l = 0 соответствует s-, l = 1 - p-,l = 2 - d-,l = 3 - f-подуровню. На d-подуровне находятся пять орбиталей, а на f-подуровне - семь. Электроны, находящиеся на соответствующих подуровнях, называют s-, p-, d-, f-электронами. Согласно квантово-механическим представлениям s-орбиталь имеет сферическую форму, p-орбиталь - гантелеобразную (объемной восьмерки), d-орбиталь - четырехлопастную (клеверного листа). Формы орбиталей представлены на рисунке ниже:

Третье (магнитное) квантовое число m характеризует взаимную пространственную ориентацию орбиталей в магнитном поле, возникающем в результате движения электронов по замкнутым орбиталям. Магнитное квантовое число принимает значения целых чисел, включая 0, в диапазоне -l < m < +l и показывает максимально возможное число орбиталей на каждом энергетическом подуровне. При l = 0 магнитное квантовое число может иметь только одно значение - m = 0, следовательно, существует только одна s-орбиталь. Сферическая s-орбиталь симметрична относительно ядра и не имеет определенного направления в трехмерной системе координат. Для l = 1 существуют три значения m (-1, 0, +1), т. е. три p-орбитали. Они различаются тем, что одна из них в трехмерной системе координат ориентирована вдоль оси x, другая — вдоль оси y и третья — вдоль оси z. Их часто называют соответственно px, py и pz-орбитали.

Орбитальному квантовому числу l = 2 соответствуют пять d-орбиталей. Имея четыре лопасти, они ориентируются более сложным образом, различают dxz, dyz, dxy, dx²-y², dz². 

Три квантовых числа характеризуют атомные орбитали. четвертое квантовое число - только электрон.

Четвертое (спиновое) квантовое число s принимает два значения: s = +½ и s = -½ Следует отметить, что спиновое квантовое число никак не связано с каким-либо его перемещением в пространстве, в том числе и с «вращением вокруг собственной оси» (скорость такого вращения должна превышать скорость света в вакууме), хотя это и отражено в названии (от англ. spin - волчок, веретено, вращение). Электрон имеет собственное магнитное поле, которое может ориентироваться параллельно или антипараллельно относительно магнитного поля, создаваемого взаимодействием электрона с ядром. Два значения спинового квантового числа соответствуют двум возможным способам квантования собственного магнитного момента относительно приложенного магнитного поля. Спин электрона не может быть изменен иди уничтожен. Электроны с противоположными значениями квантовых чисел отталкиваются друг от друга, стремясь занять другую атомную орбиталь. Одна атомная орбиталь, таким образом, может быть занята максимально двумя электронами, но при условии, что они имеют разные значения спинового числа. При изображении электронных конфигураций электроны, имеющие противоположный спин, обозначаются противоположно направленными стрелками: ↑↓.

 

Список использованной литературы
  1. Попков В. А., Пузаков С. А. Общая химия: учебник. - М.: ГЭОТАР-Медия, 2010. - 976 с.: ISBN 978-5-9704-1570-2. [с. 15-16]

chemiday.com

Движение электронов в атоме. Орбитали - СТРОЕНИЕ АТОМА - ОБЩАЯ ХИМИЯ - Химия подготовка к ВНО и ДПА

ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

СТРОЕНИЕ АТОМА

Движение электронов в атоме. Орбитали

 

Двойственность поведения электрона

 

Частицы с такими малыми размерами, как у электрона, имеют уникальные свойства, что отличают их от обычных тел, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни. Электрон одновременно проявляет свойства и частицы, и волны — говоря научным языком, имеет двойственную природу. Подобно других частиц электрон имеет определенную массу и заряд; в то же время электрон во время движения проявляет волновые свойства. Волна отличается от частицы тем, что ее положение в пространстве нельзя точно определить в определенный момент времени.

Благодаря такой природе одновременно определить скорость и направление движения электрона невозможно. Если мы знаем, в каком направлении движется электрон, то не можем определить скорость движения, и наоборот. Этот принцип называют принципом неопределенности Гейзенберга. Вследствие этого мы не имеем возможности определить, по какой траектории движется электрон в атоме. Для электрона понятие «траектория» применять не можно. Про электрон можно говорить, что в данной точке пространства есть определенная вероятность его существования.

В атоме электрон находится не в одной конкретной точке, а двигаясь, образует электронное облако, плотность которого (электронная плотность) показывает, в каких местах электрон бывает чаще, а в каких — реже. Ту часть электронного облака, в котором электрон проводит наибольшее время и в какой электронная плотность достаточно велика, называют атомной орбіталлю.

Орбиталь — это область пространства, в которой вероятность пребывания электрона составляет более 90%.

Электронные облака, образованные отдельными электронами в атоме, в сумме образуют общую электронную облако атома — электронную оболочку.

 

Типы орбиталей

 

Каждая орбиталь имеет определенную форму. Орбитали различной формы обозначают разными буквами: s, p, d и f. s-Орбитали имеют форму шара, иначе говоря, электрон, находится на такой орбитали (его называют s-электроном), большую часть времени проводит внутри сферы. р-Орбитали имеют форму объемной восьмерки. Формы d- и f-орбиталей более сложные:

 

 

Структура орбиталей в атоме

 

Орбитали характеризуются не только формой, но и энергией. Несколько орбиталей, имеющих одинаковую или приблизительно одинаковую энергию, образуют энергетический уровень, или энергетический слой.

Каждый энергетический уровень обозначают числом n (n = 1, 2, 3,...) или большой латинской буквой (К, L, М и далее по алфавиту). Для первого (ближайшего к ядру) уровня n = 1, его обозначают буквой К, для второго n = 2 (уровень L), для третьего n = 3 (уровень М) и другие. Слоистое строение электронной оболочки атомов можно показать так: окружностью обозначено ядро, имеет определенный заряд, а дугами — энергетические уровни:

 

 

Уровень с номером n включает n2 орбиталей. Таким образом, первый энергетический уровень включает одну орбиталь, второй — четыре, третий — девять и тому подобное.

Каждый энергетический уровень состоит из энергетических подуровней, которые образованы орбіталями, одинаковыми по форме и энергией. Число энергетических подуровней равно номеру энергетического уровня, т. е. первый энергетический уровень состоит из одного подуровня, второй — из двух, третий — из трех и тому подобное. Эти подуровни обозначают так же, как и орбитали, из которых они образованы. Следовательно, s-орбитали образуют s-подуровень, p-орбитали — р-подуровень др.

Энергетический подуровень может содержать только определенное число орбиталей. Каждый s-подуровень представлен одной s-орбіталлю, р-подуровень — тремя г-орбіталями, d-подуровень — пятью d-орбіталями, f-подуровень — семью f-орбіталями. В атоме эти орбитали располагаются таким образом, что ядро атома совпадает с центром орбитали.

Графически орбиталь принято обозначать квадратом. Следовательно, орбитали первых четырех энергетических уровней будут иметь такой вид:

 

 

Как видно из этой диаграммы, первый энергетический уровень состоит из одного s-подуровня, образованного одной s-орбіталлю. Второй уровень состоит из двух подуровней (s и г), образованных одной s-и орбіталлю тремя р-орбіталями. Третий уровень состоит из трех подуровней (s, p, и d), образованных одной s-орбіталлю, тремя р-орбіталями и пятью d-орбіталями. На четвертом уровне преодолевается еще семь f-орбиталей. Обратите внимание на то, что нумерация энергетических уровней при графическом изображении идет снизу вверх.

schooled.ru