Современная атомная модель (квантово-механическая модель - введение)

Современная атомная модель, также называемая квантово-механической моделью атома, является фундаментальной теорией, которая предоставляет комплексное понимание атомной структуры, выходящее за рамки старых моделей, таких как модель Резерфорда и Бора. Эта модель в значительной степени основана на принципах квантовой механики, раздела физики, который занимается поведением очень малых частиц на атомном и субатомном уровнях. На этом уроке мы поймем эту модель простым и подробным образом, охватывая основные концепции и объясняя её важность на примерах.

Историческая справка

Прежде чем углубляться в квантово-механические модели, начнем с краткой истории атомных теорий. Идея атомов пришла из древней Греции, где философ Демокрит впервые предположил, что материя состоит из неделимых единиц, называемых атомами. С начала 20 века ученые разрабатывали более детализированные модели по мере того, как экспериментальные данные становились более сложными.

В начале 1900-х годов Дж. Дж. Томсон открыл электрон, что привело к модели "пудинга с изюмом", где электроны были рассеяны внутри положительно заряженной субстанции. Затем последовал эксперимент Эрнеста Резерфорда с золотой фольгой, который показал, что атомы состоят из маленького, плотного, положительно заряженного ядра, окруженного электронами в пустом пространстве. Нильс Бор дополнительно уточнил этот взгляд, введя квантованные уровни энергии, которые позволили электронам занимать определенные орбитали.

Несмотря на точность модели Бора в объяснении переходов электронов в атомах водорода, она не могла адекватно объяснить более сложные спектры более крупных атомов. Это ограничение проложило путь для развития квантово-механической модели.

Квантово-механическая модель

Квантово-механическая модель основана на работах многих выдающихся ученых, включая Макса Планка, Луи де Бройля, Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера. Эта модель включает несколько ключевых принципов и концепций, которые мы рассмотрим подробно.

Дуализм волна–частица

Фундаментальная идея в квантовой механике заключается в том, что частицы, такие как электроны, проявляют как волновые, так и корпускулярные характеристики, известные как дуализм волна–частица. Это означает, что электроны могут вести себя как частицы в некоторых экспериментах или проявлять волновые свойства в других.

λ = h / (mv)

В приведенном выше уравнении λ обозначает длину волны электрона, h — постоянная Планка, m — масса, а v — скорость. Это уравнение, называемое уравнением де Бройля, показывает, как движущиеся частицы имеют волновые свойства.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Важный принцип квантово-механической модели — принцип неопределенности Гейзенберга. Этот принцип гласит, что невозможно одновременно точно определить как положение, так и импульс электрона. Эта неопределенность означает, что электроны не могут быть расположены в конкретных местах, как предполагалось ранее, что противоречит модели Бора, в которой орбиты электронов были фиксированы.

Атомные орбитали

Вместо рассмотрения конкретных путей для электронов квантовая механика описывает области вокруг ядра, где, вероятно, можно найти электроны, известные как орбитали. Атомные орбитали характеризуются различными формами и энергетическими уровнями, и каждая может вмещать до двух электронов.

Уравнение Шрёдингера

Эрвин Шрёдингер разработал математическое уравнение, которое описывает, как квантовое состояние квантовой системы изменяется со временем. Это уравнение, известное как уравнение Шрёдингера, является фундаментальным для определения поведения электронов в атомах.

ĤΨ = EΨ

Здесь Ĥ — гамильтониан, который описывает полную энергию системы, Ψ — волновая функция, а E — собственное значение энергии. Волновая функция Ψ дает нам информацию о вероятностном распределении электрона.

Визуализация атомных орбиталей

Чтобы лучше понять орбитали, полезно их визуализировать. Давайте изучим некоторые из основных типов орбиталей, которые могут занимать электроны в атоме.

s-орбитали

s-орбитали имеют сферическую форму. Размер s-орбитали увеличивается с увеличением уровня энергии. Ниже приведена иллюстрация s-орбитали:

Здесь круг представляет область, в которой велика вероятность нахождения электрона.

p-орбитали

p-орбитали имеют форму гантелей и ориентированы вдоль осей x, y и z. На каждом энергетическом уровне начиная с n=2, существует три p-орбитали:

Приведенные выше формы указывают, как плотность электронов распределена вдоль осей.

d-орбитали и f-орбитали

d-орбитали более сложные, обычно имеют форму четырехлистника и появляются на третьем энергетическом уровне и выше. Между тем, f-орбитали, имеющие ещё более сложные формы, появляются на четвертом энергетическом уровне и выше.

Электронная конфигурация

Понимание того, как электроны заполняют эти орбитали, важно для понимания химического поведения. Электроны заполняют орбитали, следуя "принципу Паули", "правилу Хунда" и "принципу наименьшей энергии".

Принцип наименьшей энергии

Согласно принципу наименьшей энергии, электроны заполняют орбитали, начиная с самого низкого энергетического уровня к самому высокому. Например, после заполнения 1s орбитали электроны перейдут на 2s, а затем на 2p орбиталь:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s

Принцип исключения Паули

Принцип исключения Паули гласит, что в атоме нет двух электронов, которые могут иметь одинаковый набор четырех квантовых чисел, т.е. одна орбиталь может содержать максимум два электрона с противоположными спинами.

Правило Хунда

Правило Хунда гласит, что электроны заполняют вырожденные орбитали (орбитали с одинаковым уровнем энергии) по одному, прежде чем соединяться в пары. Это уменьшает отталкивание между электронами, распределяя их.

Примеры электронной конфигурации

Рассмотрим несколько примеров, чтобы закрепить эту концепцию:

Водород

У водорода один электрон, так что его электронная конфигурация самая простая:

1s¹

Кислород

У кислорода восемь электронов. Следуем правилам:

1s² 2s² 2p⁴ ↑ ↑ ↑ ↑

Стрелки указывают спин; обратите внимание, что каждая p-орбиталь заполняется по одному электрону в соответствии с правилом Хунда, прежде чем происходит спаривание.

Важность квантово-механических моделей

Квантово-механическая модель представляет собой значительный сдвиг в нашем понимании атомов:

• Она приносит ясность в отношении атомных спектров и объясняет, почему элементы испускают различные длины волн.
• Она объясняет химические свойства атомов, которые важны для связей и реактивности.
• Она формирует основу квантовой химии и современной физики, и влияет на области, такие как материаловедение, нанотехнологии и квантовые вычисления.

Заключение

Современная атомная модель, или квантово-механическая модель, является краеугольным камнем в изучении химии и физики. Она продвигается вперед от предыдущих моделей, предоставляя микроскопический взгляд на то, где и как электроны существуют в атомах. Интегрируя дуализм волна-частица, вероятностные распределения и квантованные энергетические состояния, эта модель улучшает наше понимание атомной структуры и химических свойств, что имеет важное значение для технологического прогресса и исследований во многих областях.

Комментарии