Вопросы по теме 4. Основы современных концепций микро - и наномира

1. Кратко опишите, что представляет в современном понимании такая сущность, как электрон. Что это такое корпускулярно-волновой дуализм у электрона? Чем характеризуют стационарное состояние электрона в атоме ?

Термин «электрон» (от греч. elektron – янтарь) ввел в науку в 1881 году ирландский физик Джордж Дж. Стони для обозначения минимального количества электричества. Он даже почти точно определил, что заряд электрона Кл. (Стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества).

Экспериментально было подтверждено, что электрон имеет двойственную природу: он обладает свойствами частицы (корпускулярными свойствами) и свойствами волны (волновыми свойствами). Поэтому квантовомеханической модели атома на смену Боровским орбитам движущегося вокруг ядра электронов, пришли пространственные стоячие волны, когда движущемуся вокруг ядра электрону отвечает волна . При этом кратное целое число этих длин волн должно соответствовать длине орбиты. Поэтому квантовую механику можно определить как теорию, устанавливающую законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их двойственных корпускулярно-волновых свойств.

Электроны атома, в соответствии с такой моделью, обязательно должны двигаться относительно ядра, ибо в противном случае, когда отсутствует центростремительная сила, в результате кулоновских электростатических сил притяжения к ядру, они должны были бы упасть на ядро.

2. Поясните, что отражает атомная «орбиталь»? Является ли орбиталь траекторией движения частиц в микромире? Каково простейшее геометрическое представление орбитали?   Какой вид будет иметь орбиталь атома химического элемента водорода.

Название «орбиталь» (а не орбита) отражает геометрическое пространственное представление о том, что стационарное состояние электрона в атоме характеризуется разной интенсивностью волны в различных точках пространства.

Одним из фундаментальных положений квантовой механики, которое обусловлено волновыми свойствами движущихся частиц, является невозможность точной локализации движущейся частицы в определенной точке пространства (иначе, нельзя определить ее местонахождение). В связи с этим такие привычные для классической механики понятия, как положение (координаты частицы) и траектория ее движения, в квантовой механике для микрочастицы, какой является электрон, не имеют смысл, хотя в ней сохраняют свое значение такие понятия, как масса, импульс и момент импульса частицы. Движение микрочастицы уже описывается не уравнением классической механики Ньютона, а с помощью особого уравнения (Шредингера), в котором учитываются ее волновые свойства. Это уравнение не определяет точно положение или траекторию движения микрочастицы, но дает возможность установить вероятность ее обнаружения в тех или иных точках заданного пространства.

Геометрическое представление атомной орбитали — область пространства, ограниченная поверхностью равной плотности вероятности или заряда.

Согласно квантовой теории электрон движется в атоме вокруг ядра не по фиксированной траектории-орбите, а занимает некоторую область пространства. Вследствие своих волновых свойств электрон в атоме водорода может быть обнаружен в любой точке этой области, но с различной вероятностью. Следовательно, электрон в атоме водорода может с определенной вероятностью оказаться либо весьма близко к ядру, либо на значительном удалении. Как несложно заметить, существует определенная область, где его появление наиболее вероятно. Совокупность точек наиболее возможных положений электрона в объеме атома, как уже отмечалось, и называется орбиталью.