Первые модели строения атомов

В 1897 г. Дж. Томсон (Англия) открыл электрон, а в 1909 г. Р. Малликен определил его заряд, который равен 1,6*10^-19 Кл. Масса электрона составляет 9,11*10^-28 г. В 1904 г. Дж. Томсон предложил модель строения атома, согласно которой атом можно представить в виде положительно заряженной сферы с вкрапленными электронами.

В 1910 г. в лаборатории Э. Резерфорда (Англия) в опытах по бомбордировке металлической фольги α-частицами было установлено, что α-частицы рассеиваются фольгой. Отсюда Резерфорд заключил, что в центре атома существует положительно заряженное ядро малого размера, окруженное электронами.

В 1910 г. Резерфорд предложил ядерную планетарную модель атома, состоящую из тяжелого ядра, вокруг которого двигаются по орбитам электроны, подобно планетам Солнечной системы. Однако, как показывает теория электромагнитного поля, электроны в этом случае должны двигаться по спирали, непрерывно излучая энергию и падая на ядро.

В 1900 г. М. Планк (Германия) высказал предположение, что вещества поглощают и излучают энергию дискретными порциями, названными им квантами.

В 1910 г. датский ученый Н. Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил модель строения атома водорода. Основные положения своей теории Бор сформулировал в виде постулатов:

► Электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а по некоторым определенным круговым орбитам. Эти орбиты получили название стационарных.

► Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает электромагнитной энергии.

► Излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и исходном состояниях.

Теория Бора страдала внутренней противоречивостью, однако она была важным этапом в развитии представлений о строении атома. Она показала, что нельзя автоматически распространять законы природы, справедливые для больших тел – объектов макромира, на ничтожно малые объекты микромира – атомы, электроны, фотоны.

Вскоре было установлено, что представление об электроне как частице, подчиняющейся законам классической механики, является ошибочным. Изучение природы и распространения света показало, что он обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. На первые указывает явление фотоэффекта, на вторые – явления интерференции и дифракции света.

В 1924 г. Луи де Бройль распространил идею о двойственности природы света на вещество, предположив, что поток материальных частиц должен обладать и волновыми свойствами, однозначно связанными с массой и энергией.

Корпускулярные свойства электрона выражаются в его способности проявлять свое действие как целого. Волновые свойства электрона проявляются в особенностях его движения, в дифракции и интерференции электронов.

Электрон в атоме и молекуле обладает как свойствами частицы, так и волновыми свойствами. Частицы, размер которых соизмеримы с их длинной волны или меньше, называются микрочастицами и микрообъектами.

В 1927 г. В. Гейзинберг (Германия) постулировал принцип неопределенности, согласно которому положение и импульс субатомной частицы (микрочастицы) принципиально невозможно определить в любой момент времени с абсолютной точностью. В связи с этим в квантовой механике состояние микрочастицы полностью описывается не ее координатой и скоростью, а некоторой функцией. Эта функция носит вероятностный характер и обозначает греческой буквой «пси» ψ.

Функция ψ, описывающая состояние электрона в атоме или молекуле и являющаяся обычной математической функцией, часто называется волновой функцией или орбиталью.

Величина ψ² всегда положительна. ψ²*ΔV – мера вероятности нахождения электрона в элементе пространства ΔV.

В наиболее простом случае эта функция зависит от трех координат и называется орбиталью. В соответствии с определением ψ, орбиталью называется область околоядерного пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона.

Представление об электроне, как о материальной точке не соответствует его истиной физической природе. Поэтому орбиталь правильнее рассматривать как схематическое изображение электрона, «размазанного» по всему объему атома в виде так называемого электронного облака. Иначе говоря, плотность электронного облака пропорциональна квадрату волновой функции.

Движение электрона и других микрочастиц описывают квантово-механические законы, в частности уравнение Шредингера.

При решении уравнения Шредингера, можно найти, что распределение электрона по энергиям и в пространстве определяется волновой функцией ψ, зависящей от сферических координат электрона и от трех параметров (n, l, m_l).

Параметры n, l, m_l – называются квантовыми числами. В простейших приложениях квантовой механики иногда удобно вместо самой волновой функции пользоваться квантовыми числами, представляющими ее.