16. Понятие о квантовой механике.

Доминирующей современной теорией поведения электронов и других микрообъектов, обладающих очень малой массой, является квантовая механика. Квантовая волновая механика изучает законы движения микрообъектов в силовых полях. Главной особенностью квантовой механики является ее вероятностный статистический характер: она дает возможность находить вероятность того или иного значения некоторой физической величины. В отличии от классической физики в квантовой механике все объекты микромира (электроны, атомы, молекулы и др.) выступают как носители и корпускулярных и волновых свойств (волново-корпускулярный дуализм), которые не исключают, а дополняют друг друга. Не представляет труда обосновать объективность волново-корпускулярного дуализма для световых квантов – фотонов. Так, фотоэффект Столетова (это испускание электронов веществом под действием света ) и эффект Комптона (явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами) доказывают корпускулярную природу видимого и рентгеновского излучений, а интерференция (изменение в характере звуковых, тепловых, световых и электрических явлений, объясняемое колебательным движением: в первом случае частиц звучащего тела, в остальных трех — колебанием) и дифракция (волн, явления, наблюдаемые при прохождении волн мимо края препятствия, связанные с отклонением волн от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием) – волновую природу света.

В 20-е годы прошлого столетия активно развивалась квантовая механика (Шрёдингер, Гейзенберг, Эйнштейн и др.). Квантовая механика исследует поведение микрочастиц ( электронов, фотонов и др.) в микрополях атомов, молекул и кристаллов, т.е. каких-либо комплексов. Ее выводы носят статистический характер. Микрочастицы движутся по своим законам, их природа носит двойной характер – волново-корпускулярный дуализм («корпускула» - частица и одновременно имеет ЭМ волны). Шрёдингер вывел волновое уравнение, которое описывает поведение электрона в атоме. Из решения уравнения Шрёдингера вытекает понятие «орбиталь» (собственная функция), т.е. квантовая механика отвергает существование в атоме стационарных орбит. Орбиталь – отражает вероятность нахождения электрона в какой-то части атомного пространства. Из уравнения вытекают и некоторые числа, носящие названия квантовых, которые характеризуются определенными значениями и задают форму орбитали, ее энергию ориентацию в пространстве.

Квантовая механика адекватно описывает основные св-ва и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред, и др. систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать поведение электронов, фотонов, а также др.элементарных частиц.

Квантовые числа.

n– главное квантовое число (=1,2,3…+∞) – за полный запас электронов в атоме.

е – (0 до n=-1) отвечает за форму атомной орбитали (е 0 1 2 3

spdf

s²p⁶d¹⁰f¹⁴

m_e- магнитное квантовое число (-l; 0; +l)- характеризует ориентацию орбитали в пространстве(нарисовать из тетради)

m_s– спиновое квантовое число – отвечает за вращение электронов вокруг своей оси (-1/2; +1/2)

s²p⁶d⁹f¹⁴

Квантовая формула отражает характер распределения электронов по орбиталям и квантовым слоям.

Закономерности распределения.

1. Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

2. Принцип наименьшей энергии.В атоме электроны в первую очередь занимают орбитали с наименьшей энергией (т.е. располагаются ближе к ядру).

3. Правило Гунда.На вырожденных орбиталях электроны располагаются так, чтобы суммарное спиновое квантовое вещество было максимальным. (вырожденная – орбиталь, характеризующаяся одной и той же энергией).

Из написания квантовых формул бросается в глаза, что систематически повторяются строение наружного электронного слоя у атомов элементов разной химической природы (т.е. разных элементов). В этом состоит главный физический смысл периодического закона. Физическое свойство периодического закона состоит в периодическом повторении строения наружных атомных орбиталей элементов с ростом числа электронных слоев (главного квантового числа)

Ква́нтовое число́ в квантовой механике — численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, ядра, атома и т. д.), характеризующее состояние частицы. Задание квантовых чисел полностью характеризует состояние частицы.

Некоторые квантовые числа связаны с движением в пространстве и характеризуют пространственное распределение волновой функции частицы. Это, например, радиальное (главное) ( ), орбитальное ( ) и магнитное ( ) квантовые числа электрона в атоме, которые определяются как число узлов радиальной волновой функции, значение орбитального углового момента и его проекция на заданную ось, соответственно.

Некоторые другие квантовые числа никак не связаны с перемещением в обычном пространстве, а отражают «внутреннее» состояние частицы. К таким квантовым числам относится спин и его проекция.

Главное (радиальное) квантовое число — целое число, обозначающее номер энергетического уровня. Характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Является первым в ряду квантовых чисел, который включает в себя главное, орбитальное и магнитное квантовые числа, а также спин. Эти четыре квантовых числа определяют уникальное состояние электрона в атоме (его волновую функцию). Главное квантовое число обозначается как . При увеличении главного квантового числа возрастают радиус орбиты и энергия электрона.Главное квантовое число равно номеру периода элемента.

Наибольшее число электронов на энергетическом уровне с учетом спина электрона определяется по формуле N = 2n2.

Орбитальное квантовое число — в квантовой физике квантовое число ℓ, определяющее форму распределения амплитуды волновой функции электрона в атоме, то есть форму электронного облака. Определяет подуровень энергетического уровня, задаваемого главным (радиальным) квантовым числом n и может принимать значения

l = 0; 1; 2; ...; n-1.

Магни́тное ква́нтовое число́ — параметр, который вводится при решении уравнения Шрёдингера для электрона в водородоподобном атоме (и вообще для любого движения заряженной частицы). Магнитное квантовое число (m) характеризует ориентацию в пространстве орбитального момента количества движения электрона или пространственное расположение атомной орбитали. магнитное квантовое число, в частности, определяет проекцию орбитального магнитного момента водородоподобного атома на направление магнитного поля и служит причиной расщепления спектральных линий атома в магнитном поле (см. Эффект Зеемана).

Спиновое квантовое число s принимает два значения: +1/2; -1/2. Характеризует собственное вращательное движение электрона (по часовой и против часовой стрелки)