<<
>>

Структура атома

  С точки зрения классических законов физики непонятна устойчивость атома и линейчатый характер атомных спектров. К началу XX века опыты показали, что электроны представляют собой отрицательно заряженные частицы, являющиеся составной частью атома.
Электрический ток является ни чем иным, как упорядоченным движением электронов вдоль металлического провода, и в этом смысле электрон есть квант электричества.

Исходя из этого, Э. Резерфорд предложил в 1910 г планетарную модель атома, в которой отрицательно заряженные электроны вращаются как планеты вокруг центрального положительно заряженного ядра, притягивающего их подобно Солнцу (напомним, что заряды одинаковых знаков отталкиваются, а противоположных - притягиваются). Такая аналогия между атомом и Солнечной системой сразу же захватила воображение людей. Она действительно позволяет очень наглядно представить атом и объяснить некоторые его свойства, например, различия в энергии электронов.

Однако пользоваться данной аналогией можно только до определенного предела. Основной ее недостаток следует из природы электрических зарядов: если на заряд действует магнитное поле или силы притяжения какого-нибудь атомного ядра, то заряд не может двигаться равномерно и прямолинейно. Его траектория будет

искривлена, а из теории Максвелла следует, что такой заряд при движении должен испускать электромагнитные волны, теряя при этом часть своей энергии.

Таким образом, из законов классической физики неизбежно следовал вывод, что, двигаясь ускоренно по определенным орбитам, электрон, излучающий энергию в виде электромагнитных волн, со временем должен терять скорость и, в конце концов, упасть на ядро (что положило бы конец существованию атома).

Согласно теоретическим расчетам, атомы бы прекратили свое существование примерно за наносекунду, что, конечно же, противоречит долговременной стабильности атома в действительности. Кроме того, совокупность таких атомов должна была бы давать сплошной спектр излучения, а не линейчатый, наблюдаемый на опыте.

Постулаты Бора и квантование орбит

Успех в устранении этих противоречий был достигнут Нильсом Бором в 1913 г., когда он распространил идеи Планка и Эйнштейна о квантовых свойствах электромагнитного излучения и на атомы вещества. Бор ограничился рассмотрением атома водорода, поскольку он очень прост (единственный электрон вращается вокруг одного протона) и поддается математическому анализу.

Изучая линейчатый спектр атома, Бор понял, что существуют очень простые правила, управляющие излучением световых волн атомами вещества, которые хорошо объясняют множество существующих электронных орбит. Свои выводы он сформулировал в виде известных постулатов Бора.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): электроны в атоме могут обладать лишь определенными (разрешенными) значениями энергии, другими словами - находиться на определенных энергетических уровнях, образующих дискретный энергетический спектр атома.

Второй постулат Бора (правило частот): при определенных условиях электроны могут переходить с одного уровня на другой (или с одной орбиты на другую), поглощая или испуская фотон.

Существует орбита с наименьшей возможной энергией, на которой электрон может находиться неограниченно долго — это его основное состояние. При переходе с низшего энергети-

Рис 30. Энергетическая схема атомных уровней. Энергия Е^ соответствует основному состоянию, Е2 — возбужденному.

ческого уровня на высший электрон возбуждается, но при каждом удобном случае всегда стремиться вернуться из возбужденного состояния обратно в основное.

В возбужденном состоянии электрон может находиться не дольше наносекунды.

Что же заставляет электрон постоянно стремиться к своему первоначальному состоянию? Читатели наверняка обращали внимание, что большинство всех объектов в природе всегда стремится минимизировать любое напряжение. Так, например, капля жидкости принимает сферическую, а не треугольную или квадратную форму именно потому, что такая форма наиболее “выгодна” с точки зрения противостояния силам поверхностного натяжения. То же самое справедливо и для электрона: чтобы удержаться на верхней орбитали (превосходящей по энергии его собственную), ему нужно изрядно “попотеть”, преодолевая мощную силу притяжения ядра — а какому нормальному электрону это понравится? В этом смысле электрон можно в шутку сравнить с лентяем в спортзале: едва тренеру удастся загнать его на высокую перекладину, он вместо того, чтобы подтягиваться, тут же норовит c нее спрыгнуть.

“А как же тогда электрон переходит на более высокий уровень?”, — спросите вы. Предположим, что атом находится в состоянии n и обладает энергией En. Чтобы вынудить электрон перейти на уровень т, мы должны каким-то образом “выпихнуть” его из основного состояния, придав ему некоторую дополнительную энергию (подобно тому, как пинок тренера необходим, для того, чтобы лодырь оказался на перекладине). Для этого будем “обстреливать” электрон световыми фотонами различной частоты. Напо

минаем, что энергия фотона зависит от частоты излучения, поэтому она равна:

E=hv

где v —частота,

^—постоянная Планка.

Оказывается, не каждый фотон способен вынудить атом перейти в возбужденное состояние, а лишь тот, чья энергия в точности равна разности энергий возбужденного и основного состояний электрона в атоме, то есть:

Рис 31.

Получив необходимое количество энергии, электрон переходит на следующий

энергетический уровень

Если же энергия фотона окажется больше либо меньше необходимой, то он “пролетит” сквозь атом, никоим образом не повлияв на состояние электрона.

www.nanonewsnet.ru

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Итак, электрон находится в возбужденном состоянии, из которого он в силу своей природы стремится вернуться обратно на “родной” уровень. Для этого ему нужно “освободиться” от энергии, полученной от фотона. Поэтому обратный переход сопровождается испусканием светового фотона абсолютно той же частоты, то есть

En=Em-hv

Так квантовая механика обнаружила, что атом обладает способностью поглощать и испускать фотоны света, и это в дальнейшем послужило основой создания лазеров и множества других машин, использующих этот принцип.

Итак, сформулируем важный вывод из теории квантовой механики: физические величины в квантовом мире изменяются квантами, т.е. дискретно.

Невозможно представить себе квантовую физику без одного из ее основных принципов:

Принцип Паули (или принцип запрета):              на каждом

энергетическом уровне атома в данном состоянии может находиться только один электрон, при этом чем выше уровень электрона, тем большая энергия ему соответствует. Каждому значению энергии соответствует своя орбита электрона вокруг ядра.

Строго говоря, орбита в квантовой механике — понятие довольно условное. Из-за несовершенства современной аппаратуры и невозможности четко зафиксировать положение электрона в атоме, можно лишь приблизительно говорить о некоторой “размытой” орбите электрона, означающей только то, что “в среднем” электрон находится на определенном расстоянии от ядра.

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Структура атома:

  1. 2.2.4 Специальные методы исследования2.2.4.1 Метод исследования морфологической структуры муки, ламинарии сушеной и теста
  2. 2.1. Кристаллическая структура, люминесценция и магнитные свойства метакрилатов тербия(Ш) и европия(Ш)
  3. 6.1. Кристаллическая структура ацетилацетоната, дибензоилметаната и р-нитробензоиланизоилметаната дифторида бора. Влияние природы а-заместителей на флуоресцентные свойства кристаллических р-дике- тонатов дифторида бора. Лазерная пикосекундная спектроскопия с временным разрешением растворов р-дикетонатов дифторида бора
  4. 7.1. Кристаллическая структура бис(2-бензилпиридиния) пентахлороантимона- та(Ш). Спектрально-люминесцентные свойства комплексных соединений сурьмы(Ш) с 2- и 4-бензилпиридином
  5. 7.2. Спектрально-люминесцентные свойства комплексных соединений сурьмы(Ш) с 6-метилхинолином. Кристаллические структуры (H6-MeQ)2SbCl5, (H6-MeQ)3SbBr6 и (H6-MeQ)2SbI5
  6. 7.3. Спектрально-люминесцентные свойства и кристаллические структуры комплексных соединений мышьяка(Ш) и сурьмы(Ш) с Н1Ч'-дифенил- гуанидином
  7. 7.8. Термохромные свойства комплексных соединений теллура(1У) с азотсодержащими внешнесферными органическими основаниями. Кристаллические структуры гексабромотеллуратов (IV) с N,N' - дифенилгуанидином и гуанидином
  8. 7.9. Механизм обратимого термохромизма и особенности теплового движения атомов в гексабромотеллурате(1У) Ы,М'-дифенилгуанидиния (1+)
  9. Наблюдение и собственная темпоральная структура реальности
  10. Атомы и относительность
  11. ИЗ ЧЕГО СДЕЛАНЫ АТОМЫ
  12. ТЕМПЕРАТУРА, ИЗЛУЧЕНИЕ И АТОМЫ
  13. Строение атома
  14. 3.1. Электронное строение и структура
  15. Общие сведения о наноразмерных структурах
  16. Распределение атомов и связанные с этим свойства
  17. Структура атома
  18. 1.1 Структура, электронные, магнитные и спектральные свойства простетической группы гемопротеидов
  19. 3.6. СТРУКТУРНЫЙ, ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ, СИСТЕМНЫЙ И АТОМАРНЫЙ МЕТОДЫ
  20. §1.2. Понятие субъективности в философии постструктурализма