-Хвильова природа електрона. Електронні хмари
У 20-х роках XX ст. завдяки роботам де Бройля, Е.Шредінгера, В.Гейзенберга та інших учених були розроблені основи хвильової теорії про двоїсту корпускулярно-хвильову природу світлового випромінювання.
З рівнянь Планка (Е = hν) і Ейнштейна (Е = mс2) випливає, що hν = mс2. Враховуючи, що ν = с/λ і швидкість руху фотона v дорівнює швидкості світла с, дістанемо основне рівняння хвильової механіки – рівняння де Бройля:
λ = h/mv (1) .
З цього рівняння випливає, що частинці з масою m, яка рухається із швидкістю v, відповідає хвиля з довжиною λ. Рівняння (1) можна використати для характеристики руху не лише фотона, а й інших матеріальних мікрочастинок: електрона, нейтрона, протона тощо.
Отже, електрон одночасно є і частинкою, і хвилею. У 1925 р. В.Гейзенберг запропонував принцип невизначеності, згідно з яким не можна одночасно встановити точне місце перебування електрона у просторі і його швидкість, або імпульс.
Нове уявлення про електрон примусило відмовитись від прийнятої раніше моделі атома, в якій електрон рухається по певних колових або еліптичних орбіталях. Електрон може перебувати у будь-якій частині простору, який оточує ядро атома, однак ймовірність його перебування в тій чи іншій його частині неоднакова.
Рух електрона має хвильовий характер, тому квантова механіка описує цей рух в атомі за допомогою хвильової функції ψ, яка набуває різних значень у різних точках атомного простору. Відомо, щоб знайти точку в просторі, треба визначити її координати х, у, z, що математично записується залежністю:
ψ = f (х, у, z).
Оскільки рух електрона хвилеподібний, визначення хвильової функції зводиться до знаходження амплітуди електронної хвилі.
Рух електронної хвилі кількісно характеризується амплітудою ψ, яку можна обчислити з диференціального рівняння Шредінгера, що зв'язує хвильову функцію ψ з потенціальною і повною енергією електрона. Для одноелектронного атома водню рівняння Шредінгера має такий вигляд:
(2)
де m – маса електрона; h – стала Планка; Е – повна енергія електрона; U – потенціальна енергія електрона.
Для атомів з кількома електронами користуються наближеним розв'язком рівняння Шредінгера.
Рівняння (2) дає змогу обчислити ψ – амплітуду електронної хвилі (хвильову функцію). Квадрат амплітуди ψ2 виражає ймовірність перебування електрона в певній точці атомного простору, а величина ψ2dv – ймовірність перебування електрона в елементі об'єму dv.
Як модель стану електрона в атомі у квантовій механіці прийнято уявлення про електронну хмару, густина відповідних ділянок якої пропорційна ймовірності перебування там електрона. Електрон ніби "розмазаний" навколо ядра по сфері, віддаленій від ядра на певну відстань. Одна з можливих форм електронної хмари атома показана на рис.6.
Простір навколо ядра, в якому найімовірніше перебування електрона, називається орбіталлю. Можна вважати, що хвильова функція, яка є рішенням рівняння Шредінгера, називається орбіталлю.
Отже, замість борівських орбіталей ядро атома оточене електронними хмарами. Основні характеристики, які визначають рух електрона навколо ядра, – це його енергія і просторові особливості відповідної йому орбіталі.
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74
75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 Наверх ↑