- •ОГЛАВЛЕНИЕ
- •Введение
- •Используемые единицы измерений и основные константы
- •1.1. Предпосылки возникновения волновой механики
- •1.1.2. Теория строения атома Бора
- •1.1.3. Корпускулярно-волновой дуализм свойств материи
- •1.1.4. Принцип неопределенности
- •1.2. Волновая (квантовая) механика
- •1.3. Квантово-механическая модель атома
- •1.3.1. Основное состояние атома водорода
- •1.3.2. Радиальное распределение электронной плотности. Электронная орбиталь
- •1.3.4. Многоэлектронные атомы
- •1.3.5. Электронные конфигурации многоэлектронных атомов
- •1.3.6.Связь периодического закона со строением атома
- •1.3.7.Физико-химические характеристики атома
- •2.1. Основные характеристики химической связи. Классификация моделей описания химической связи
- •2.2. Ковалентная химическая связь
- •2.2.1. Метод валентных связей (ВС)
- •2.2.3. Геометрия простейших молекул. Гибридизация АО
- •2.2.4. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи
- •2.3. Полярность связи. Дипольный момент молекулы
- •3.1. Агрегатные состояния
- •3.3.1.Основные понятия о строении кристаллов
- •Библиографический список
товых чисел, получить которые из теории Бора непосредственно было невозможно. До некоторой степени эти противоречия разрешил Арнольд Зоммерфельд (Sommerfeld), который допустил существование в атоме эллиптических орбит. Было введено еще два дополнительных квантовых числа: побочное и магнитное. Однако в целом необходимо констатировать, что в рамках классической физики не удалось создать "хорошую" модель описания поведения микрочастиц. Основным недостатком теории Бора для химии явилась невозможность дать качественное и тем более количественное описание химической связи.
1.1.3. Корпускулярно-волновой дуализм свойств материи
Впервые с проблемой двойственности природы материального объекта, волновой и корпускулярной, столкнулись при объяснении природы электромагнитного излучения. Как было показано раньше, существовал ряд экспериментов, которые хорошо объяснимы с позиций волновой природы электромагнитного излучения (например, интерференция и дифракция света). С другой стороны, существовали экспериментальные факты, объяснимые только с позиций корпускулярной природы света (фотоэффект, процессы излучения света нагретыми телами, Комптон-эффект). Так все же фотон – волна или частица?
Скорее всего, сущность этой проблемы связана с ограниченностью наших жизненных представлений. Мы живем в макромире, где только по отдельности встречаются процессы, имеющие корпускулярную и волновую природу. Нигде в повседневной жизни мы не встречаемся с движением, которое было бы результатом наложения этих двух форм, но это не значит, что его не существует. Из этой дилеммы возник совершенно новый подход к описанию физических и химических процессов микромира.
В 1924 г. Луи де Бройль (de Broglie) выдвинул гипотезу о том, что кор- пускулярно-волновой дуализм свойствен не только электромагнитному излучению, а является общим свойством материи. При этом он ввел понятие о волнах материи. Так, любому материальному объекту, обладающему массой m и движущемуся со скоростью v, соответствует волновой процесс с длиной волны λ. По аналогии с электромагнитным излучением, где λ=h/p, длина волны частицы (часто называется длиной волны де Бройля) вычисляется по уравнению
λ= hp = mh v .
Экспериментальное подтверждение волновых свойств электрона было получено в 1927 г. Девидсоном и Джермером и независимо от них Томсоном и Рейдом в опытах по рассеянию пучка электронов металлической
13
фольгой.
Электроны, испускаемые нагретым катодом, разгоняются в электрическом поле напряжением ≈ 100 В и приобретают кинетическую энергию ≈ 100 эВ. При этом в случае, если формула де Бройля верна, электронам
должна |
соответствовать длина волны λ = |
h |
. Если |
Eк = |
m v2 |
, то |
||
m v |
2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
λ = |
h |
. При Eк = 100 эВ (1 эВ=1,602 10-19 Дж) , λ = 1,2 Å. |
|
|||||
2 |
m Eк |
|
|
|
|
|
|
Если электроны обладают волновыми свойствами, то их пучок должен испытывать дифракцию на дифракционной решетке, постоянная которой α соизмерима с длиной волны электрона (α - постоянная решетки - сумма ширины щели и ширины промежутка между щелями). Так как длина волны электрона мала (λ=1.2 Å), то роль дифракционной решетки, у которой α ≈ λ, могут играть кристаллические плоскости монокристаллов. В частности, была использована металлическая фольга (никель). Причем положение дифракционных полос должно определяться условием ВульфаБрэгга: n λ = 2 α sinϑ (n - номер дифракционной полосы; λ - длина волны электрона; α - постоянная дифракционной решетки; ϑ - угол, под которым пучок электронов попадает на дифракционную решетку).
Действительно, при пропускании пучка электронов через металлическую фольгу была получена дифракционная картина в виде концентрических колец, положение которых изменялось в зависимости от кинетической энергии электронов (ускоряющего напряжения) – их длины волны, согласно условию Вульфа-Брэгга (рис. 1.2).
Дифракционная + Анод решетка
− Катод
U |
h |
Люминесцентный |
|
Eк = e U λ = |
|||
2 m e U |
экран |
||
|
|||
|
|
Рис. 1.2. Схема опыта дифракцииэлектронов: U (В) – напряжение ускоряющего электрического поля
Позднее наблюдали дифракцию и более тяжелых частиц, например протонов, нейтронов, атомов гелия.
Можно предположить, что и движению макрообъекта соответствует
14
также волновой процесс. Движению тела массой m = 1 г со скоростью v = 1 см/с соответствует волновой процесс с длиной волны λ=6,6 10-29 м. Нет таких дифракционных решеток, чтобы наблюдать этот процесс.
Корпускулярно-волновой дуализм свойств электрона, как и других микрообъектов, является первым фундаментальным положением, на котором строится волновая механика – механика, применимая для описания объектов атомных и субатомных размеров.
1.1.4. Принцип неопределенности
Вторым фундаментальным положением, на котором строится волновая механика, является принцип неопределенности Гейзенберга. Поскольку электрон обнаруживает одновременно свойства волны и частицы, возникают трудности, связанные с измерением корпускулярных свойств электрона, а именно одновременного определения координат и импульса электрона.
Вернер Гейзенберг (Heisenberg) в 1927 г. сформулировал следующее положение: для микрочастицы невозможно одновременно точно опреде-
лить ее координаты и импульс. Ограничения в точности определения даются соотношением Гейзенберга:
∆x ∆px ≥ h , ∆y ∆py ≥ h , ∆z ∆pz ≥ h , h = 2hπ – постоянная Планка.
Из принципа неопределенности следует вероятностный подход к описанию механики микрообъектов. Точное определение координат частицы и ее импульса заменяется определением вероятности нахождения частицы в какой-то области пространства. Для движущейся час-
тицы с вполне определенной энергией, а следовательно, импульсом мы не можем указать точные значения координат (траектории движения), а можем говорить лишь о вероятности нахождения ее в какой-либо части пространства.
Вероятностный характер механики микрочастиц следует также из опытов по дифракции электронов. Если пропускать не поток электронов, а последовательно по одному, то каждый электрон попадет в какое-то определенное место экрана и дифракционной картины не будет (от одного электрона). В какое конкретное место попадет следующий электрон, мы не знаем, но знаем, где вероятность его появления максимальна и где минимальна. И только большое число электронов, пропущенных последовательно друг за другом, создадут на экране дифракционную картину.
15