Квантова механика и строеж на атома-доклад

[Kotkata68]

Квантова механика и строеж на атома
Принцип на неопределеността
Класическата механика дава възможност да се определи напълно състоянието на едно тяло във всеки един момент, ако се знаят координатите му и вектора на скоростта му, в даден начален момент.
Но при електроните, атомите и молекулите, се оказва, че това е невъзможно. За регистрирането на един електрон на дадено място, той трябва да отрази фотон, за да го видим с микроскоп. Когато електронът отрази фотон, то неговото място се премества на друго и импулса му се променя, тоест той вече не е същия. Това става, защото фотонът предава част от импулса и енергията си на електрона.
Вернер Хайзенберг формулира принципа и го нарича принцип на неопределеността.
Съгласно този принцип електронът в атома не може да се разглежда като частица, движеща се по определена орбита, тъй като има вероятност електрон с някакъв импулс да се намира във всяка точка от пространството около атомното ядро.
Вълнови свойства на електрона
През 1924г. Луи дьо Бройл изказва твърдението, че всяко движещо се тяло трябва да се придружава от вълново движение. Така наречената фазова вълна. Според това твърдение скоростта на разрпространение на фазовата вълна е равна на скоростта на движение на самото тяло. Това означава, че движещите се електрони трябва да имат вълнови совйства. Те трябва да дифрактират и интерферират подобно на светлинните частици – фотоните. Това се потвърждава от американците Девисън и Джърмър, които доказват, че електроните действително могат да дифрактират, когато електронен сноп се отразява от повърхността на кристал. Отразените фазови вълни се наслагват и интерферират, в резултат на което се поучават няколко отразени снопа, а те се отразяват в точно определени направления спрямо повърхността на кристала.
Атомът и уравнението на Шрьодингер
През 1926г. австрийският физик Ервин Шрьодингер предлага вълново уравнение наречено на неговото име, което дава връзката на пси (Ψ) функция с енергия на електрона и неговите координати х, у и z около ядрото.
От принципа на неопределеността следва, че не е нужно да се търси, къде се намира електронът в даден момент, защото това е свързано с безкрайна неопределеност на неговия импулс. Това, което може да се получи като информация от уравненито на Шрьодингер, е вероятността за намиране на електрона в определено място от пространсвтото около ядрото.
Уравнението на Шрьодингер има сложен вид и е решено точно само за водородния атом и водородоподобни системи (системи, които имат във външния си електронен слой само един електрон).
Уравненито има редица решение, които се представят с функцийте Ψ1, Ψ2, Ψ3 ... , които съотвестват на енергийте Е1, Е2, Е3, ...Е∞ на атома. Решенията са точно определени – дискретни. Те са намерени за конкретен набор квантови числа n, l и m. Тези решения се наричат собствени функции или орбитали.
Физичният смисъл на функцията Ψ се състои в това, че нейния квадрат Ψ2, дава плътността на вероятността електрон с координати х, у и z, да се намери около ятомното ядро. Нагледно тази вероятност се изобразява с електронен облак.
Електронният облак се простира в пространството по трите оси на координатината система от 0 до ∞. На разстояние около пет пъти по-голямо от радиуса на Бор електронният облак практически престава да съществува. Затова той може да се ограничи до произволно избрани размери. Нагледно електронният облак може да се представи чрез мислено изрязана фигура, в обема на която вероятността да се намира електронът е 90% от времето му на пребиваване около ядрото. Тази фигура също се нарича орбитала, но в опростен смисъл на това понятие. Най-често се употребява при онагледяване на различни явления като образуването на химичната връзка и други.
Атомни орбитали
Трите квантови числа – n, l и m, описват напълно атомната орбитала, нейната енергия, форма, размери и пространствена насоченост. За пълното описание на електрона в атомната обвивка се отчита и спинът, който също се квантува със спиново квантово число s.
В квантовата механика състояните на електрона се определя от решаването на вълновото уравнение на Шрьодингер, без да е необходимо да се правят хипотетични допускания.
Електронният облак представлява съвкупност от множество точки, които изобразяват възможните положения на електрона около ядрото. Колкото гъстота на точките е по-голяма, толкова и вероятността да се намери електрона в този обем е по-голяма. Вероятността електронът да се намери около ядрото е най-голяма.
Ако с контур ограничим повърхността, обхващата точкис еднаква плътност на вероятността и включваща около 90% от максималната стойност на Ψ2, се получава атомна орбитала.
Представяне на атомните орбитали става чрез пространствени форми: например s-орбиталите се представят с кръгове, р-орбиталите се предтсавят с характерините си елипсовидни фигури.