Електроната обвивка на атома

Квантово механични представи за строежа на електроната обвивка на атома

Квантови числа

1.            Квантова теория за светлината – съществуват две теории за същността на светлината

-  поток от материални частици наречени корпоскули

-  светлината има вълнов характер, защото само по този начин могат да се обеснят явления като отражение, дифракция и други.

     Планк и Айнщайн обединяват двата плана и създават т.нар. Квантова теория за светлината. Според тях светлината се излъчва не непрекъснато, а на определени порции наречени кванти или фотони. Енергията на един квант се определя от израза Е = h.v

     v – честота на трептенето

     h – const на Планк

     Тя притежава свойствата едновременно на частици и на вълна. Възоснова на квантовата теория Нилс Бор създава своята теория за строежа на електронната обвивка на водородния атом. Тази теория има следните основни постолации:

1.            електронът може да се движи само по строго определени кръгови орбити наречени стационарни, които удовлетворяват уравнението m.v.r = n.h/2п

     m – маса на електрона

     v -  скорост на движение на електрона

     m – главно квантово число

     n – 1,2,3,4............

     То определя енергията на електрона и неговото разстояние до ядрото. Колкото е по-голямо и толкова по-голяма енергия притежава електрона и толкова по-далеч се намира от ядрото

     r = 0,53 ⁰ A = 0,053 nm

2.            при своето движение по стационарните орбити електрона не поглъща енергия. Ако се подаде енергия отвън електрона може да премине на друга по-външна форма и тогава той се намира във “възбудено” състояние. То трае много малко, след това електрона се завръща на предишната или някоя по-вътрешна форма.

3.            енергията, която се отделя или поглъща от електрона е във вид на фотони.

     Въпреки големите двойнства на теорията на Бор, тя не успява да обясни строежа на ел. атоми, а също и ефекта на Зееман или т.нар. мултиплетност – под действието  на силно мощно поле единичните линии се разцепват на много тънки линии разположени много близо една до друга.

     От това следва, че електроните намиращи се в един и същи електричен слой имат известна разлика в енергията си. Ел. слой се състои от под слоеве или енергитични нива. За да обясни ефекта на Зееман Зомерфелд предполага, че електроните се движат не по кръгови, а  по елиптични орбити, така както планетите се движат около слънцето. Кръговата орбита на Бор представлява частен случай от теорията на Зомерфелд.

     Той въвежда и второ квантово число, което е свързано с малката полуос на елипсата. Нарича се орбитално квантово число, бележи се с е и е подчинено на главното квантово число. е = 0,1,2,3....Освен с цифри може да се отбележи и с букви s,p,d,f,g…..

     То определя енергията на електрона в дадения подслой, както и броя и формата на атомните орбитали. Електронът притежава и магнитен елемент, с който е свързано и третото квантово число – магнитно квантово число. То определя положението на ядрото. То е подчинено на орбиталното квантово число. Бележи се с m_e -   -e ,0 ,+e

     Електронът притежавма и ел.момент. Той се дължи на въртенето на елекрона около собствената му ос. То се нарича спин. С него е свързано и четвъртото квантово число, наречено спиново квантово число. То се бележи с m_s - ±1. Когато въртенето е в посока часовниковата стрелка е +1/2 и обратното.

     След установяване на двойствената природа на светлината Луи дьо Бройл изказва предположението, че всеки поток от материални частици с m и v образува вълна с дължина λ

     λ = h/m.v – не само светлина, а и друг поток от материални частици може да притежава свойството на частици и на вълна. За пръв път това е доказано за поток от електрони. Катодните лъчи, които са поток от електрони могат да дифрактират и да инфрактират. Електроните се движат като в затворена система, достигайки граничната повърхност те се отразяват и връщайки се инфрактират с идващите електрони. По този начин се получава пронстранствена стояща вълна. Тя се харатеризира най-добре с уравнението на Шрьодинтер.

     H ψ = Є ψ

     H – оператор на Хамилтон, което представлява сумата от кинетичната и потенциалната енергия на системата

     Є – точната числена стойност на енергията, при определена стойност на ψ

     ψ – вълнова функция, която може да има както положителна така и отрицателна стойност.

      (ψ)² е правопропорционален на вероятността за намиране на електрона в определен обем от пронстранството около ядрото.

     Някои автори наричат решението на уравнението на Шрьодингер атомни орбитали. Тази форма и част от пространството и вероятността за намиране на електрона се нарича атомна орбитала. Пространствената стояща вълна на електрона обхваща ядрото на атома, образувайки електронен “облак” с различна форма и плътност. Точната траектория на електрона не може да бъде определена.

     Причина за това е двойнствената природа на електрона. Електроненият “облак” няма точно определени размери. повърхността, която ограничава 96% от масата и заряда на електрона се нарича гранична повърхност. Тя определя и формата на електрония “облак”.