Строение атома и химическая связь. Квантовая механика. Корпускулярно-волновой дуализм. Принцип неопределенности

Строение атома и химическая связь

Квантовая механика

• Квантовая механика – система понятий и уравнений, которые применяются для описания элементарных частиц, ядер, атомов, молекул.
• Составными частями квантовой механики являются:
• корпускулярно-волновой дуализм;
• принцип неопределенности;
• волновое управление.

Корпускулярно-волновой дуализм

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль высказал предположение: «Любая движущаяся частица одновременно обладает и механическими и волновыми свойствами». Предположение де Бройля подтвердилось экспериментально на явлении дифракции электронов и нашло применение в электронных микроскопах.

Корпускулярно-волновой дуализм

Эта зависимость выражается уравнением: , где  – длина волны; h – постоянная Планка, 6,6·10 -34 Дж·с; m – масса частицы (электрона); ν – скорость частицы.

Принцип неопределенности

В 1925 г. немецкий физик В. Гейзенберг высказал положение: «Для микрочастицы атомного масштаба невозможно одновременно и точно указать координату и скорость ее движения».

Принцип неопределенности

Математическое выражение этого положения: , где ∆q – неопределенность координат, или положения в пространстве; ∆p – неопределенность импульса, p = m·v, где m – масса, V – скорость; h – постоянная Планка, ћ – приведенная постоянная Планка.

Принцип неопределенности

• Из принципа неопределенности следует два вывода:
• Невозможно точно представить траекторию движения электрона в атоме;
• Электрон в атоме нельзя рассматривать с математической точностью.
• Можно лишь вычислить вероятность пребывания электрона в околоядерном пространстве.

Волновое уравнение

В 1926 г. австрийский ученый Э. Шредингер предложил уравнение с помощью которого вычисляют вероятность нахождения электрона в атоме: ,

Волновое уравнение где сумма вторых производных волновой функции  (пси) ; m – масса электрона; h – постоянная Планка; E – полная энергия электрона; U – потенциальная энергия электрона  – функция координат x, y, z, называемая волновой функцией (орбиталью) и является основной характеристикой электрона в атоме.

Квантово-механическая модель атома

• Квантово-механическая модель атома – это воображаемый вид атома, созданный на основе положений квантовой механики.
• Электронное облако – это околоядерное пространство, в котором вероятность пребывания электрона максимальна.

Квантово-механическая модель атома

Способы изображения распределения электронной плотности в атоме водорода: графики зависимости ψ – r(a), ψ2dv – r(б), электронное облако (в), орбиталь (2)

Квантово-механическая модель атома

Орбиталь – фигура, образованная движением электрона и составляющая примерно 95% электронного облака.Возможны различные формы орбиталей: s-, p-, d- и f-

Квантовые числа

Энергетическое состояние электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами; n – главное, ℓ - орбитальное, m – магнитное, s – спиновое. Все эти числа характеризуют определенную энергию электрона.

n - главное квантовое число

• определяет полный запас энергии электрона в размер электронной обитали.
• n принимает значения от 1 до 7 (стремится к ∞).
• При n = 1 электрон находится на первом слое, при n= 2 - на втором и т.д., т.е. n указывает номер электронного слоя (уровня) и номер периода, в котором расположен элемент в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.
• В многоэлектронных атомах электроны с одинаковыми значениями n образуют слой или уровень, обозначаемый буквами K, L, M, N, O, P и Q. Буква K соответствует первому уровню, L – второму и так далее.

l - побочное (орбитальное) квантовое число

• устанавливает уровень (подуровень) энергии и форму обитали, а следовательно, форму электронного облака.
• принимает значения l =(n-1), численно равное значению орбитального