Строение атома

Второй постулат Бора (правило частот) формулируется  следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния  с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия  которого равна разности энергий  стационарных состояний:

hνnm = En – Em,

где h – постоянная Планка. Отсюда можно выразить частоту  излучения:

Второй постулат Бора также противоречит электродинамике  Максвелла, так как частота излучения  определяется только изменением энергии  атома и никак не зависит от характера движения электрона.

Теория Бора при описании поведения атомных  систем не отвергла полностью законы классической физики. В ней сохранились  представления об орбитальном движении электронов в кулоновском поле ядра. Классическая ядерная модель атома  Резерфорда в теории Бора была дополнена  идеей о квантовании электронных  орбит. Поэтому теорию Бора иногда называют полуклассической.

 

5. Строение многоэлектронных атомов

Число электронов, которые могут находиться на одном  энергетическом уровне, определяется формулой 2n2, где n – номер уровня. Максимальное заполнение первых четырех  энергетических уровней: для первого  уровня – 2 электрона, для второго  – 8, для третьего – 18, для четвертого – 32 электрона. Максимально возможное  заполнение электронами более высоких  энергетических уровней, в атомах  известных элементов не достигнуто.

Квантово-механические расчеты показывают, что в многоэлектронных энергия электронов одного уровня неодинакова; электроны заполняют атомные  обитали разных видов и имеют разную энергию. Каждый энергетический уровень, кроме первого, расщепляется на такое число энергетических подуровней, сколько видов орбит алей включает этот уровень. Второй энергетический уровень расщепляется на два подуровня (2s – и 2p-подуровни), третий энергетический уровень – на три подуровня (3s-, 3p- и 3d-подуровни).

Каждый s-подуровень содержит одну s орбит аль, каждый р-подуровень – три р-обитали, каждый d-подуровень семь f-орбит алей.

Закономерность  заполнения электронных оболочек атомов определяется принципом запрета, установленным  в 1925 г швейцарским физиком Паули (принцип Паули):

В атоме не могут одновременно находиться два  электрона с одинаковым набором  четырех квантовых квантовых  чисел (заполнение электронами орбиталей  происходит следующим образом: сначала  на каждой орбитали располагается по одному электрону, затем, после заполнения всех орбиталей происходит распределение  вторых электронов с противоположным  спином).

Используя понятия  квантовые числа можно сказать, что:

Каждый электрон в атоме однозначно характеризуется  своим набором четырех квантовых  чисел - главного n, орбитальногоl, магнитного ml, и спинового ms.

Заселение электронами  энергетических уровней, подуровней и  атомных орбиталей подчиняется  следующему правилу:

В невозбужденном атоме все электроны обладают наименьшей энергией (принцип наименьшей энергии).

Это означает, что каждый из электронов, заполняющих  оболочку атома, занимает такую орбиталь, чтобы атом в целом имел минимальную  энергию. Последовательно квантовое  возрастание энергии подуровней происходит в следующем порядке: 1s - 2s -2р - 3s – 3р - 4s –3d - 4р - 5s -….

Такой порядок  увеличения энергии подуровней определяет расположение эле Ментов в Периодической  системе.

Заполнение  атомных орбиталей внутри одного энергетического подуровня происходит в соответствии с правилом, сформулированным немецким физиком Ф. Хундом (1927г) (правило  Хунда):

При данном значении квантового числа l (т.е. в пределах одного подуровня) в основном состоянии  электроны располагаются таким  образом, что значение суммарного спина  атома максимально. Это означает, что на подуровне должно быть максимально  возможное число неспаренных  электронов.

Порядок возрастания  энергии атомной орбитали в сложных  атомах описывается правилом Клечковского: энергия атомной орбитали возрастает в соответствии с увеличением n +l   главного и орбитального квантовых  чисел. При одинаковом значении суммы  энергия меньше у атомной орбитали с меньшим значением главного квантового числа.

Распределение электронов по различным атомным  орбиталям называют электронной  конфигурацией атома. Электронная  конфигурация с наименьшей энергией соответствует основному состоянию  атома, остальные конфигурации относятся  к возбужденным состояниям.

Электронную конфигурацию атома изображают двумя  способами – в виде электронных  формул и электронно-графических  диаграмм.  При написании электронных  формул используют главное и орбитальное  квантовые числа. Подуровень обозначают с помощью главного квантового числа (цифрой) и орбитального квантового числа (соответствующей буквой). Число  электронов на подуровне характеризует  верхний индекс. Например. Для основного  состоянии атома водорода электронная  формула: 1s1.

Более полно  строение электронных подуровней можно  описать с помощью электронографических диаграмм, где распределение электронов по подуровням представляют в виде квантовых ячеек. Орбиталь в этом случае принято условно изображать квадратом, около которого проставлено  обозначение подуровня. Подуровни  на каждом уровне должны быть немного  смещены по высоте, так как их энергия несколько различается. Электроны обозначают стрелками­ или  ¯ в зависимости от знака спинового  квантового числа.

С учетом структуры  электронных конфигураций атомов все  известные элементы в соответствии со значением орбитального квантового числа последнего заполняемого подуровня  можно разбить на четыре группы: s –элементы, р-элементы, d-элементы, f-элементы.

 

6. Спектры испускания и поглощения света атомами

   Спектр  излучения (или поглощения) —  это набор волн определенных  частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества.  

  Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые.

  

 Сплошные  спектры излучают все вещества, находящиеся в твердом или  жидком состоянии. Сплошной спектр  содержит волны всех частот  видимого света и поэтому выглядит  как цветная полоса с плавным  переходом от одного цвета  к другому в таком порядке:  красный, оранжевый, желтый, зеленый,  синий и фиолетовый (каждый охотник  желает знать, где сидит фазан).

 

   Линейчатые  спектры излучают все вещества  в атомарном состоянии. Атомы  всех веществ излучают свойственные  только им наборы волн вполне  определенных частот. Как у каждого  человека свои личные отпечатки  пальцев, так и у атома данного  вещества свой, характерный только  ему спектр. Линейчатые спектры  излучения выглядят как цветные  линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров  объясняется тем, что у атомов  конкретного вещества существуют  только ему свойственные стационарные  состояния со своей характерной  энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определенных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.

 

    Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы. Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т. е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует способ определения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава звезд, атмосфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.

 

7. Радиоактивность

Это самопроизвольное превращение атомов одного элемента в атомы других элементов, сопровождающееся испусканием частиц и жесткого электромагнитного излучения. Историческая справка. Беккерель. Весной 1896 французский физик А.Беккерель сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излучения (впоследствии названном радиоактивным), которое испускается солями урана. Подобно открытым за несколько месяцев до этого рентгеновским лучам, оно обладало проникающей способностью, засвечивало экранированную черной бумагой фотопластинку и ионизировало окружающий воздух. Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля под влиянием исследований Рентгена. Поскольку при генерации Х-лучей наблюдалась фосфоресценция стеклянных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил, что любое фосфоресцентное свечение сопровождается испусканием рентгеновского излучения. Для проверки этого предположения он поместил различные фосфоресцирующие вещества на завернутые в черную бумагу фотопластинки и получил неожиданный результат: засвеченной оказалась единственная пластинка, с которой соприкасался кристалл соли урана. Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком бы химическом соединении он ни находился. Свойство радиоактивного излучения вызывать ионизацию воздуха позволило наряду с фотографическим методом регистрации применять более удобный электрический метод, что значительно ускорило процесс исследований.

 

Кюри. Пользуясь  электрическим методом, Г. Шмидт  и М. Кюри в 1898 обнаружили радиоактивность  элемента тория. В следующем году Дебьерн открыл радиоактивный элемент актиний. Начатый супругами П. и М.Кюри систематический поиск новых радиоактивных веществ и изучение свойств их излучения подтвердили догадку Беккереля о том, что радиоактивность урановых соединений пропорциональна числу содержащихся в них атомов урана. Среди обследованных минералов эту закономерность нарушала лишь урановая смоляная руда (уранинит), которая оказалась в четыре раза активнее, чем соответствующее количество чистого урана. Кюри сделали вывод о том, что в уранините должен содержаться неизвестный высокоактивный элемент. Проведя тщательное химическое разделение уранинита на составляющие компоненты, они открыли радий, по химическим свойствам сходный с барием, и полоний, который выделялся вместе с висмутом.