6. Понятие об электронном облаке. Волновая функция.
Т.к. электрон несет отриц заряд, то его орбиталь представляет собой определенное распределение заряда, которое получило название электронного облака. Вероятность нахождения электрона в определенной области пространства описывается волновой функцией ψ, которая характеризует амплитуду волны как ф-ию координат электрона. Подобно амплитуде любого волнового процесса, она может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Однако величина ψ² всегда положительна. При этом она обладает замечательным св-ом: чем больше значение в данной области пространства, тем выше вероятность того, что электрон проявит здесь свое действие, т.е. что его сущ-ие будет обнаружено в каком-либо физическом процессе.
7. Квантовые числа.
Современная модель основана на 2 фундаментальных принципах квантовой физики. 1. электрон имеет свойства и частицы и волны одновременно (Луи-де-Бройль ) 2. частицы не имеют строго определенных координат и скоростей движения. Движение электрона описывается в кантов ой механике уравнением стоячей волны, в соответствии с которым электрон в каждый момент времени может находится в произвольной точке пространства вокруг ядра. Квантово-механическая модель представляет его в виде электронного облака, окружающее ядро. Максимальная плотность облака соответствует электронной орбитали. Движение электрона на орбитали определяется значениями 4 квантовых чисел. Главное квантовое число n (энергетический уровень) – расстояние от ядра. С увеличением n энергия электрона возрастает. Число энергетических уровней = номеру периода в котором находится элемент. Максимальное число электронов определяется N=2n 2 . на первом электронном уровне можер разместиться не более 2 электронов, на втором – 8, на третем –18. Орбитальное квантовое число l (энергетический подуровень) обозначают буквами s (сферическая), p (гантелеобразная), d (4 лепестковая розетка), f (более сложная). Магнитное квантовое число взаимодействие электронного облака с внешними магнитными полями. Спиновое квантовое число собственное вращение электрона вокруг своей оси. Магнитное квантовое число m взаимодействие электронного облака с внешними магнитными полями. Чем сложнее форма облака тем больше вариаций в ориентации облака в пространстве. Принимает значение 2l+1. Спиновое квантовое число s собственное вращение электрона вокруг своей оси. Принимает 2 значения +1/2 и –1/2.
8. Порядок заполнения электронных уровней и подуровней. . Принцип минимума энергии. Принцип Паули. Правило Гунда и Клечковского В.М.
Электрон заполн. Подуровень должен иметь минимально избыточной энергией по отношению к подуровню энергии.
Al 18 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 0
K 19 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 4S 1
1. Правило Клечковского.
Заполнение идет от n+1 меньших к n+l больших
4+0 < 3+2 (сначала 4S, потом 3d)
Если суммы n+l равны друг другу, тозаполнение уровней и подуровней происходит в напр главного квантового числа n
4+1
3+2 => сначала
,
потом 4p
Правило Клечковского.
Если сумма n+l равных
Явление правила проскока электронов.
Cr 24 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 4S 2 3d 4
Не только энергия электрона в атоме (и связанный с ней размер электронного облака) может принимать лишь определенные значения. Произвольной не может быть и форма электронного облака. Она определяется орбитальным квантовым числом l (его называют также побочным, или азимутальным), которое может принимать целочисленные значения от 0 до (n-1), где n - главное квантовое число. Различным значениям n отвечает разное число возможных значений l. Так, при n=1 возможно только одно значение орбитального квантового числа - нуль (l=0), при n=2 l может быть равным 0 или 1, при n=3 возможны значения l, равные 0, 1 и 2, вообще, данному значению главного квантового числа n соответствуют n различных возможных значений орбитального квантового числа.
Вывод о том, что формы атомных электронных облаков не могут быть произвольными, вытекает из физического смысла квантового числа l. Именно, оно определяет значение орбитального момента количества движения электрона; эта величина, как и энергия, является квантованной физической характеристикой состояния электрона в атоме.
Напомним, что орбитальным моментом количества движения частицы, движущейся вокруг центра вращения по некоторой орбите, называется произведение , где - масса частицы, - ее скорость, - радиус-вектор, соединяющий центр вращения с частицей (рис. 7). Важно отметить, что -векторная величина; направление этого вектора перпендикулярно плоскости, в которой расположены векторы и .
Определенной форме электронного облака соответствует вполне определенное значение орбитального момента количества движения электрона . Но поскольку может принимать только дискретные значения, задаваемые орбитальным квантовым числом l, то формы электронных облаков не могут быть произвольными: каждому возможному значению l соответствует вполне определенная форма электронного облака.
Мы уже знаем, что энергия электрона в атоме зависит от главного квантового числа n. В атоме водорода энергия электрона полностью определяется значением n.
рис. 7. К понятию об орбитальном моменте количества движения.
Рис. 8. К понятию о размерах и форме электронного облака.
Однако в многоэлектронных атомах энергия электрона зависит и от значения орбитального квантового числа l, причины этой зависимости будут рассмотрены в § 31. Поэтому состояния электрона, характеризующиеся различными значениями l, принято называть энергетическими подуровнями электрона в атоме. Этим подуровням присвоены следующие буквенные обозначения:
В соответствии с этими обозначениями говорят об s-подуровне, р-подуровне и т. д. Электроны, характеризующиеся значениями побочного квантового числа 0, 1, 2 и 3, называют соответственно s-электронами, р-электронами, d-электронами и f-электронами. При данном значении главного квантового числа n наименьшей энергией обладают s-электроны, затем и f-электроны.
Состояние электрона в атоме, отвечающее определенным значениям n и l, записывается следующим образом: сначала цифрой указывается значение главного квантового числа, а затем буквой - орбитального квантового числа. Так, обозначение 2p относится к электрону, у которого n=2 и l=1, обозначение 3d - к электрону, у которого n=3 и l=2.
Электронное облако не имеет резко очерченных в пространстве границ. Поэтому понятие о его размерах и форме требует уточнения. Рассмотрим в качестве примера электронное облако 1s-электрона в атоме водорода (рис. 8). В точке а, находящейся на некотором расстоянии от ядра, плотность электронного облака определяется квадратом волновой функции . Проведем через точку а поверхность равной электронной плотности, соединяющую точки, в которых плотность электронного облака характеризуется тем же значением . В случае 1s-электрона такая поверхность окажется сферой, внутри которой заключена некоторая часть электронного облака (на рис. 8 сечение этой сферы плоскостью рисунка изображено окружностью, проходящей через точку а). Выберем теперь точку b, находящуюся на большем расстоянии от ядра, и также проведем через нее поверхность равной электронной плотности. Эта поверхность тоже будет обладать сферической формой, но внутри ее будет заключена большая часть электронного облака, чем внутри сферы а. Пусть, наконец, внутри поверхности равной электронной плотности, проведенной через некоторую точку с, заключена преобладающая часть электронного облака; обычно эту поверхность проводят так, чтобы она заключала заряда и массы электрона. Такая поверхность называется граничной поверхностью, и именно ее форму и размеры принято считать формой и размерами электронного облака. Граничная поверхность 1s-электрона представляет собой сферу, однако граничные поверхности p- и d-электронов имеют более сложную форму (см. ниже).
Рис. 9. Графики функций и для -электрона.
Рис. 10. Электронное облако -электрона.
На рис. 9 изображены значения волновой функции (рис. 9, а) и ее квадрата (рис. 9,б) для -электрона в зависимости от расстояния от ядра r. Изображенные кривые не зависят от направления, в котором откладывается измеряемое расстояние r; это означает, что электронное облако -электрона обладает сферической симметрией, т. е. имеет форму шара. Кривая на рис. 9,а расположена по одну сторону от оси расстояний (ось абсцисс). Отсюда следует, что волновая функция -электрона обладает постоянным знаком; будем считать его положительным.
Рис. 9,б показывает также, что при увеличении расстояния от ядра величина монотонно убывает. Это означает, что по мере удаления от ядра плотность электронного облака -электрона уменьшается; иллюстрацией этого вывода может служить рис. 5.
Это не означает, однако, что с ростом r вероятность обнаружить -электрон тоже монотонно убывает. На рис. 10 выделен тонкий слой, заключенный между сферами с радиусами r и (), где - некоторая малая величина. С ростом r плотность электронного облака в рассматриваемом сферическом слое уменьшается; но одновременно возрастает объем этого слоя, равный . Как указывалось в § 26, вероятность обнаружить электрон в малом объеме выражается произведением . В данном случае следовательно, вероятность обнаружения электрона в сферическом слое, заключенном между r и , пропорциональна величине . В этом произведении с увеличением r множитель возрастает, а множитель убывает. При малых значениях r величина возрастает быстрее, чем убывает , при больших - наоборот. Поэтому произведение , характеризующее вероятность обнаружения электрона на расстоянии r от ядра, с увеличением r проходит через максимум.
Зависимость величины от r изображена для -электрона на рис. 11 (подобные графики называются графиками радиального распределения вероятности нахождения электрона). Как показывает рис. 11, вероятность обнаружить -электрон на малых расстояниях от ядра близка к нулю, так как r мало. Ничтожно мала и вероятность обнаружения электрона на очень большом расстоянии от ядра: здесь близок к нулю множитель (см. рис. 9,б).
Рис. 11.График радиального распределения вероятности для 1s электрона.
Рис. 12. Графики волновой функции для и -электронов (б).
На некотором расстоянии от ядра вероятность обнаружения электрона имеет максимальное значение. Для атома водорода это расстояние равно 0,053 нм, что совпадает с вычисленным Бором значением радиуса ближайшей к ядру орбиты электрона. Однако трактовка этой величины в теории Бора и с точки зрения квантовой механики различна: согласно Бору, электрон в атоме водорода находится на расстоянии 0,053 нм от ядра, а с позиций квантовой механики этому расстоянию соответствует лишь максимальная вероятность обнаружения электрона.
Электронные облака s-электронов второго, третьего и последующих слоев обладают, как и в случае 1s-электронов, сферической симметрией, т. е. характеризуются шарообразной формой. Однако здесь волновая функция при увеличении расстояния от ядра меняется более сложным образом. Как показывает рис. 12, зависимость от r для 2s- и 3s-электронов не является монотонной, на разных расстояниях от ядра волновая функция имеет различный знак, а на соответствующих кривых есть узловые точки (или узлы), в которых значение волновой функции равно нулю. В случае 2s-электрона имеется один узел, в случае 3s-электрона - 2 узла и т. д. В соответствии с этим, структура электронного облака здесь также сложнее, чем у 1s-электрона. На рис. 13 в качестве примера схематически изображено электронное облако 2s-электрона.
Более сложный вид имеют и графики радиального распределения вероятности для 2s- и 3s-электронов (рис. 14).
Рис. 13. Схематическое изображение электронного облака -электрона.
Рис. 14. Графики радиального распределения вероятности для и -электронов (б).
Рис. 15. График волновой функции 2p-электрона.
Рис. 16. График радиального распределения вероятности для 2p-электрона.
Здесь появляется уже не один максимум, как в случае 1s-электрона, а соответственно два или три максимума. При этом главный максимум располагается тем дальше от ядра, чем больше значение главного квантового числа n.
Рассмотрим теперь структуру электронного облака 2p-электрона. При удалении от ядра по некоторому направлению волновая функция 2p-электрона изменяется в соответствии с кривой, изображенной на рис. 15, а. По одну сторону от ядра (на рисунке - справа) волновая функция положительна, и здесь на кривой имеется максимум, по другую сторону от ядра (на рисунке - слева) волновая функция отрицательна, на кривой имеется минимум; в начале координат значение обращается в нуль. В отличие от s-электронов, волновая функция 2p-электрона не обладает сферической симметрией. Это выражается в том, что высота максимума (и соответственно глубина минимума) на рис. 15 зависит от выбранного направления радиуса-вектора r. В некотором направлении (для определенности будем считать его направлением оси координат x) высота максимума наибольшая (рис. 15, а). В направлениях, составляющих угол с осью x, высота максимума тем меньше, чем больше этот угол (рис. 15, б, в); если он равен , то значение в соответствующем направлении равно нулю при любом расстоянии от ядра.
График радиального распределения вероятности для 2p-электрона (рис. 16) имеет вид, сходный с рис. 15, с той разницей, что вероятность обнаружения электрона на некотором расстоянии от ядра всегда положительна. Положение максимума на кривой распределения вероятности не зависит от выбора направления. Однако высота этого максимума зависит от направления: она наибольшая, когда радиус-вектор совпадает с направлением оси x и убывает по мере отклонения радиуса-вектора от этого направления.
Такому распределению вероятности обнаружения 2p-электрона соответствует форма электронного облака, напоминающая двойную грушу или гантель (рис. 17). Как видно, электронное облако сосредоточено вблизи оси x, а в плоскости yz, перпендикулярной этой оси, электронного облака нет: вероятность обнаружить здесь 2p-электрон равна нулю.
Рис. 17. Схематическое изображение электронного облака -электрона.
Рис. 18. Схематическое изображение электронного облака -электрона.
Знаки и на рис. 17 относятся не к вероятности обнаружения электрона (она всегда положительна!), а к волновой функции , которая в разных частях электронного облака имеет различный знак.
Рис. 17 приближенно передает форму электронного облака не только 2p-электронов, но также и р-электронов третьего и последующих слоев. Но графики радиального распределения вероятности имеют здесь более сложный характер: вместо одного максимума, изображенного в правой части рис. 16, на соответствующих кривых появляются два максимума (3p-электрон), три максимума (4p-электрон) и т. д. При этом наибольший максимум располагается все дальше от ядра.
Еще более сложную форму имеют электронные облака d-электронов (l=2). Каждое из них представляет собой «четырехлепестковую» фигуру, причем знаки волновой функции в «лепестках» чередуются (рис. 18).
Не только энергия электрона в атоме (и связанный с ней размер электронного облака) может принимать лишь определенные значения. Произвольной не может быть и форма электронного облака. Она определяется орбитальным квантовым числом I (его называют также побочным, или азимутальным), которое может принимать целочисленные значения от 0 до (п - 1), где п - главное квантовое число. Различным значениям п отвечает разное число возможных значений /. Так, при п= 1 возможно только одно значение орбитального квантового числа - нуль (/ = 0), при п = 2 / может быть равным 0 или 1, при п = 3 возможны значения /, равные 0, 1 и 2, вообще, данному значению главного квантового числа п соответствуют п различных возможных значений орбитального квантового числа.
Вывод о том, что формы атомных электронных облаков не могут быть произвольными, вытекает из физического смысла квантового числа /. Именно оно определяет значение орбитального момента количества движения электрона, эта величина, как и энергия, является квантованной физической характеристикой состояния электрона в атоме.
Орбитальным моментом количества движения M формула частицы, движущейся вокруг центра вращения по некоторой орбите, называется произведение mvf, где т - масса частицы, v - ее скорость, г- радиус-вектор, соединяющий центр вращения с частицей (рис. 7). Важно отмстить, что M - векторная величина; направление этого вектора перпендикулярно плоскости, в которой расположены векторы v и г.
Определенной форме электронного облака соответствует вполне определенное значение орбитального момента количества движения электрона М. Но поскольку M может принимать только дискретные значения, задаваемые орбитальным квантовым числом /, то формы электронных облаков не могут быть произвольными: каждому возможному значению / соответствует вполне определенная форма электронного облака.
Мы уже знаем, что энергия электрона в атоме зависит от главного квантового числа п. В атоме водорода энергия электрона полностью
Рис.
Рис. 8. К понятию о размерах и форме электронного облака определяется значением п. Однако в многоэлектронных атомах энергия электрона зависит и от значения орбитального квантового числа /; причины этой зависимости будут рассмотрены в § 31. Поэтому состояния электрона, характеризующиеся различными значениями /, принято называть энергетическими подуровнями электрона в атоме. Этим подуровням присвоены следующие буквенные обозначения:
В соответствии с этими обозначениями говорят об.s-подуровне, /^-подуровне и т.д. Электроны, характеризующиеся значениями побочного квантового числа 0, 1, 2 и 3, называют соответственно.s-электронами, р-электронами, б/-электронами и /-электронами. При данном значении главного квантового числа п наименьшей энергией обладают.s-электроны, затем р-, d- и /-электроны.
Состояние электрона в атоме, отвечающее определенным значениям пи I, записывается следующим образом: сначала цифрой указывается значение главного квантового числа, а затем буквой - орбитального квантового числа. Так, обозначение 2р относится к электрону, у которого п = 2и1= 1, обозначение 3d - к электрону, у которого п = 3 и / = 2.
Электронное облако не имеет резко очерченных в пространстве границ. Поэтому понятие о его размерах и форме требует уточнения. Рассмотрим в качестве примера электронное облако 15-электрона в атоме водорода (рис. 8). В точке а, находящейся на некотором расстоянии от ядра, плотность электронного облака определяется квадратом волновой функции Проведем через точку а поверхность равной электронной плотности, соединяющую точки, в которых плотность электронного облака характеризуется тем же значением j^. В случае 15-электрона такая поверхность окажется сферой, внутри которой заключена некоторая часть электронного облака (на рис. 8 сечение этой сферы плоскостью рисунка изображено окружностью, проходящей через точку а). Выберем теперь точку Ь, находящуюся на большем расстоянии от ядра, и также проведем через нее поверхность равной электронной плотности. Эта поверхность тоже будет обладать сферической формой, но внутри нее будет заключена большая часть электронного облака, чем внутри сферы а. Пусть, наконец, внутри поверхности равной электронной плотности, проведенной через некоторую точку с, заключена преобладающая часть электронного облака; обычно эту поверхность проводят так, чтобы она заключала 90% заряда и массы электрона. Такая поверхность называется граничной поверхностью, и именно ее форму и размеры принято считать формой и размерами электронного облака. Граничная поверхность
Рис. 9. Графики функций фиф 2 для 1 s-электрона
Рис. 10.
15-электрона представляет собой сферу, однако граничные поверхности^- и ^-электронов имеют более сложную форму (см. ниже).
На рис. 9 изображены значения волновой функции ф (см. рис. 9, а ) и ее квадрата (см. рис. 9, 6) для 15-электрона в зависимости от расстояния от ядра г. Изображенные кривые не зависят от направления, в котором откладывается измеряемое расстояние г; это означает, что электронное облако ls-электрона обладает сферической симметрией , т.е. имеет форму шара. Кривая на рис. 9, а расположена по одну сторону от оси расстояний (ось абсцисс). Отсюда следует, что волновая функция 15-электрона обладает постоянным знаком; будем считать его положительным.
Рисунок 9, б показывает также, что при увеличении расстояния от ядра величина ф 2 монотонно убывает. Это означает, что по мере удаления от ядра плотность электронного облака 15-электрона уменьшается; иллюстрацией этого вывода может служить рис. 5.
Это не означает, однако, что с ростом г вероятность обнаружить 15-электрон тоже монотонно убывает. На рис. 10 выделен тонкий слой, заключенный между сферами с радиусами г и (г + Ar), где Ar - некоторая малая величина. C ростом г плотность электронного облака в рассматриваемом сферическом слое уменьшается; но одновременно возрастает объем этого слоя, равный 4л г 2 Ar. Как указывалось в § 26, вероятность обнаружить электрон в малом объеме AK выражается произведением ф 2 ДК. В данном случае AK= 4лг 2 Ar; следовательно, вероятность обнаружения электрона в сферическом слое, заключенном между г и (г + Ar), пропорциональна величине 4лг 2 ф 2 . В этом произведении с увеличением г множитель 4л г 2 возрастает, а множитель ф 2 убывает. При малых значениях г величина 4л г 2 возрастает быстрее, чем убывает ф 2 , при больших - наоборот. Поэтому произведение 4лг 2 ф 2 , характеризующее вероятность обнаружения электрона на расстоянии г от ядра, с увеличением г проходит через максимум.
Зависимость величины 4лг 2 ф 2 от г изображена для 15-электрона на рис. 11 (подобные графики называются графиками радиального рас-
Рис. 11.
Рис. 12. Графики волновой функции для 25- (а) и 35-электронов (б)
пределения вероятности нахождения электрона). Как показывает рис. 11, вероятность обнаружить 15-электрон на малых расстояниях от ядра близка к нулю, так как г мало. Ничтожно мала и вероятность обнаружения электрона на очень большом расстоянии от ядра: здесь близок к нулю множитель ф 2 (см. рис. 9, 6). На некотором расстоянии от ядра г 0 вероятность обнаружения электрона имеет максимальное значение. Для атома водорода это расстояние равно 0,053 нм, что совпадает с вычисленным Бором значением радиуса ближайшей к ядру орбиты электрона. Однако трактовка этой величины в теории Бора и с точки зрения квантовой механики различна: согласно Бору, электрон в атоме водорода находится на расстоянии 0,053 нм от ядра, а с позиций квантовой механики этому расстоянию соответствует лишь максимальная вероятность обнаружения электрона.
Электронные облака 5-электронов второго, третьего и последующих слоев обладают, как и в случае 15-электронов, сферической симметрией, т.е. характеризуются шарообразной формой. Однако здесь волновая функция при увеличении расстояния от ядра меняется более сложным образом. Как показывает рис. 12, зависимость ф от г для 25- и 35-электронов не является монотонной, на разных расстояниях от ядра волновая функция имеет различный знак, а на соответствующих кривых есть узловые точки (или узлы), в которых значение волновой функции равно нулю. В случае 25-электрона имеется один узел, в случае 35-электрона - 2 узла и т.д. В соответствии с этим структура электронного облака здесь также сложнее, чем у 15-электрона. На рис. 13 в качестве примера схематически изображено электронное облако 25-электрона.
Более сложный вид имеют и графики радиального распределения вероятности для 25- и 35-электронов (рис. 14). Здесь появляется уже не один максимум, как в случае 15-электрона, а соответственно два или три максимума. При этом главный максимум располагается тем дальше от ядра, чем больше значение главного квантового числа п.
Рис. 13.
Рис. 14. Графики радиального распределения вероятности для 2s- (а) и 35-электронов (6 )
Рассмотрим теперь структуру электронного облака 2/?-электрона. При удалении от ядра по некоторому направлению волновая функция 2р-электрона изменяется в соответствии с кривой, изображенной на рис. 15, а. По одну сторону от ядра (на рисунке - справа) волновая функция положительна, и здесь на кривой имеется максимум, по другую сторону от ядра (на рисунке - слева) волновая функция отрицательна, на кривой имеется минимум; в начале координат значение ф обращается в нуль. В отличие от 5-электронов волновая функция 2р-электрона не обладает сферической симметрией. Это выражается в том, что высота максимума (и соответственно глубина минимума) на рис. 15 зависит от выбранного направления радиуса-вектора г. В некотором направлении (для определенности будем считать его направлением оси координат х) высота максимума наибольшая (см. рис. 15, о). В направлениях, составляющих угол с осью х, высота максимума тем меньше, чем больше этот угол (см. рис. 15, б, в); если он равен 90°, то значение ф в соответствующем направлении равно нулю при любом расстоянии от ядра.
График радиального распределения вероятности для 2р-электрона (рис. 16) имеет вид, сходный с рис. 15, с той разницей, что вероятность обнаружения электрона на некотором расстоянии от ядра всегда положительна. Положение максимума на кривой распределения вероятно-
Рис. 16.
Рис. 15.
Рис.
Рис.
сти не зависит от выбора направления. Однако высота этого максимума зависит от направления: она наибольшая, когда радиус-вектор совпадает с направлением оси х, и убывает по мере отклонения радиуса- вектора от этого направления.
Такому распределению вероятности обнаружения 2/?-электрона соответствует форма электронного облака, напоминающая двойную грушу или гантель (рис. 17). Как видно, электронное облако сосредоточено вблизи оси х, а в плоскости yz, перпендикулярной этой оси, электронного облака нет: вероятность обнаружить здесь 2р-электрон равна нулю. Знаки «+» и «-» на рис. 17 относятся не к вероятности обнаружения электрона (она всегда положительна!), а к волновой функции ф, которая в разных частях электронного облака имеет различный знак.
Рисунок 17 приближенно передает форму электронного облака не только 2р-электронов, но также и р-электронов третьего и последующих слоев. Но графики радиального распределения вероятности имеют здесь более сложный характер: вместо одного максимума, изображенного в правой части рис. 16, на соответствующих кривых появляются два максимума (Зр-электрон), три максимума (4р-электрон) и т.д. При этом наибольший максимум располагается все дальше от ядра.
Еще более сложную форму имеют электронные облака (7-электронов (/= 2). Каждое из них представляет собой «четырехлепестковую» фигуру, причем знаки волновой функции в «лепестках» чередуются (рис. 18).
Электронное облако
Электронное облако - это наглядная модель, отражающая распределение электронной плотности в атоме или молекуле.
В первое время после появления знаменитого волнового уравнения Э. Шрёдингера предпринималось много попыток выяснить возможный физический смысл волновой функции и разработать модель поведения электрона в атоме . Э. Шрёдингер с самого начала говорил о «размазанном электроне», заряд которого также размазан по пространству и распределён по пучностям колебаний, предложил понятие «волнового пакета ».
Однако физики отнеслись критически к этой модели. Макс Борн показал, что эти волны следует толковать статистически с точки зрения теории вероятности. Сами же волны не материальны, они лишь математические выражения, которыми описывается вероятность обнаружения электрона в той или иной точке пространства.
В качестве наглядной модели состояния электрона в атоме в химии принят образ облака, плотность соответствующих участков которого пропорциональна вероятности обнаружить там электрон. Электронное облако рисуется наиболее плотным (там, где наибольшее число точек) в областях наиболее вероятного обнаружения электрона .
Имеются и другие способы изображения радиальное распределение вероятности нахождения электрона электронной плотности относительно атомного ядра.
Кривая радиального распределения вероятности нахождения электрона в атоме водорода показывает, что вероятность обнаружения электрона максимальна в тонком сферическом слое с центром в точке расположения протона и радиусом, равным боровскому радиусу a 0 .
Электронное облако наиболее часто изображают в виде граничной поверхности (охватывающей примерно 90 % плотности). При этом обозначение плотности с помощью точек опускают.
Примечания
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Электронное облако" в других словарях:
электронное облако
электронное облако - elektronų debesis statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektronų buvimo aplink atomo branduolį erdvė. atitikmenys: angl. electron atmosphere; electron cloud; electronic atmosphere; electronic cloud rus. электронное облако … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
облако электронов - elektronų debesis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electron cloud; electronic atmosphere; electronic cloud vok. Elektronenatmosphäre, f; Elektronenwolke, f rus. облако электронов, n; электронное облако, n pranc. atmosphère électronique … Fizikos terminų žodynas
Атом гелия Атом (др. греч. ἄτομος неделимый) наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и… … Википедия
Атом гелия Атом (др. греч. ἄτομος неделимый) наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и… … Википедия
ЛЯМБДА УДВОЕНИЕ (РАСЩЕПЛЕНИЕ) УРОВНЕЙ ЭНЕРГИИ МОЛЕКУЛ слабое расщепление на два уровня каждого электронно колебательно вращательного энергетич. уровня молекулы с неравными нулю квантовыми числами и J (см. Молекула). Число Л описывает проекцию… … Физическая энциклопедия
- (от греч. atomos неделимый) частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Каждому элементу соответствует определённый род А.,… …
- (σ и π связи) ковалентные химические связи, характеризующиеся определенней, но различной пространственной симметрией распределения электронной плотности. Как известно, ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов… … Большая советская энциклопедия
- (от греч. atomos неделимый), часть в ва микроскопич. размеров и массы (микрочастица), наименьшая часть хим. элемента, являющаяся носителем его св в. Каждому хим. элементу соответствует определ. род А., обозначаемый хим. символом. А. существуют в… … Физическая энциклопедия
Раньше ученые полагали, что электроны вращаются по орбитам вокруг положительно заряженных ядер и удерживаются на определенном расстоянии от них.
Теперь доказано, что таких орбит в атомах не существует. На основе расчетов и опытных данных ученые установили, что электрон при движении может находиться на различных расстояниях от ядра. Удалось также установить вероятность пребывания электронов на определенном расстоянии от ядра.
Пребывание электрона на определенном расстоянии от ядра условно изображают точками. Там, где электрон пребывает чаще, расположение точек более плотное, где реже - менее плотное.
Электрон при движении, например, в атоме Н, образует как бы облако шаровой формы.
Совокупность различных положений электрона рассматривают как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда.
Около ядра можно выделить пространство, где вероятность нахождения электрона наибольшая.
Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называют электронным облаком .
|
S- электроны имеют сферическую форму электронного облака.
С - 1S 2 2 S 2 2Р 2 Р- электроны имеют гантелеобразную форму эл. облака
(форму правильной восьмерки).
Форма и размеры того или иного электронного облака определяются атомными орбиталями . Атомные орбитали являются функцией двойственной природы электрона, определенной в каждой точке околоядерного пространства. Они не имеют формы, т.к. это понятие математическое. Однако, как и соответствующие им электронные облака, орбитали обозначают символами s, p, d, f.
В атомах химических элементов первому слою соответствует одна s -орбиталь, на которой могут находиться два s -электрона. Второй слой имеет s -орбиталь, запас энергии электронов на ней выше, чем у электронов первого слоя. Кроме того, второй слой имеет три р-орбитали, которым соответствуют гантелеобразные электронные облака одного размера. Они взаимно перпендикулярны, подобно осям координат х, у, и z. Третий слой, помимо одной s - и трех р- орбиталей, имеет пять d-орбиталей.
В атоме Не имеются 2 Sē. Поэтому возникает вопрос: как могут сосуществовать на одном энергетическом уровне 2 электронных облака сферической формы?
Оказывается, что кроме движения вокруг ядра, которое мы уже рассмотрели, электроны обладают еще движением, которое можно представить как их вращение вокруг собственной оси. Это вращение называется спином (в переводе с англ. - веретено).
На одной орбитали может находиться лишь 2 ē , обладающих противоположными (антипараллельными) спинами, т.е. один ē как бы вращается вокруг оси по часовой стрелке, ад ругой - против часовой стрелки.
В результате экспериментальных исследований было установлено, что, например, в природном кислороде кроме атомов кислорода с массой 16 имеются также атомы с массой 17 и 18.
Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра (одинаковое число протонов в ядре), но разную массу (разное число нейтронов), называются изотопами.