Микрочастица, так же как и волна, не имеет одновременно точных значений координат положения в пространстве и импульса ее движения

СТРОЕНИЕ АТОМОВ И СВОЙСТВА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Атом – электронейтральная микрочастица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Ядро атома содержит два типа частиц (нуклонов) – протоны и нейтроны. Число протонов в ядре определяет его заряд Z, который совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе (ПС) Д.И. Менделеева.

Основная масса атома сосредоточена в ядре и характеризуется массовым числом А, которое равно сумме числа протонов Z и числа нейтронов N:

А = Z + N , (14)

Атомы с одинаковыми значениями Z, но различными значениями А и N называются изотопами (например изотопы водорода: – протий, – дейтерий, – тритий). Атомы, обладающие одинаковыми N, но различными Z и А, являются изотонами (например: , , ). Если же атомы имеют одинаковые значения А, но различаются числами Z и N, то их называют изобарами (например: , , ).

А_r элемента, указываемая в ПС, является средней величиной массовых чисел его природных изотопов с учетом их распространенности в природе. Например, природный хлор состоит в основном из двух изотопов (75,43 % атом.) и (24,57 % атом.), поэтому его атомная масса будет равна:

A_r(Cl) =

Современная теория строения атома основана на законах квантовой механики, согласно которым движущимся микрообъектам присуща двойственная природа: они являются частицами, но имеют волновой характер движения. Математически корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов выражается уравнением де Бройля

, (2)

где l - длина волны, м; h – постоянная Планка (h = 6,63×10^-34 Дж×с); m – масса микрочастицы, кг; v – скорость движения микрочастицы, м/с.

Из волновых свойств микрообъектов следует принцип неопределенности Гейзенберга:

микрочастица, так же как и волна, не имеет одновременно точных значений координат положения в пространстве и импульса ее движения.

Математически принцип Гейзенберга отражается системой уравнений

(3)

где - погрешности определения координаты частицы по соответствующей оси; - погрешности определения проекций импульса на соответствующие оси.

Из принципа Гейзенберга вытекает, что чем точнее определяется координата микрочастицы, тем неопределеннее становится информация о скорости ее движения, и наоборот.

Электрон в атоме существует в виде электронного облака – определенной области пространства, которая охватывает » 90 % заряда и массы электрона. Эту область пространства называют орбиталью. Состояние электрона в атоме принято описывать при помощи значений четырех квантовых чисел:

1. Главное квантовое число n характеризует основной запас энергии электрона и размер электронного облака. Оно может принимать только целочисленные значения от 1 до +¥. Чем больше значение n, тем больше размер электронного облака и выше его энергия. Электроны, имеющие одинаковые значения n, образуют электронные слои (иначе энергетические уровни), которые обозначают буквами

Значение n
Уровень	K	L	M	N	O	Р	Q

При n = 1 энергия электрона имеет минимальное значение Е₁ = -13,6 эВ. Такое состояние электрона называется основным или нормальным. Состояния с n = 2, 3, 4… называются возбужденными. Энергии, соответствующие им, связаны с Е₁ выражением

(4)

При переходе электрона с одного энергетического уровня на другой поглощается или испускается квант электромагнитной энергии DЕ

(5)

где с – скорость света (с = 3×10⁸ м/с); с/l = n – частота излучения, с^-1.

2. Орбитальное (иначе побочное) квантовое число l определяет момент количества движения электрона и характеризует форму электронного облака. l изменяется в пределах от 0 до (n – 1). Каждому значению l соответствует своя форма электронного облака: при l = 0 – сферическая; l = 1 – гантелевидная; l = 2 – две пересекающиеся под прямым углом гантели, l = 3 – три пересекающиеся под прямым углом гантели (см. табл.2)

Электроны одного энергетического уровня, имеющие одинаковые значения l, образуют энергетические подуровни, которые имеют буквенные обозначения (см. табл.2).

Состояние электрона с определенными значениями n и l записывают в виде сочетания цифрового значения n и буквенного l. Например, при n = 3 и l = 1 записывают 3p, а при n = 4 и l = 3 записывают 4f.

3. Магнитное квантовое число m_l характеризует положение электронного облака в пространстве. m_l изменяется в пределах от – l до + l, т.е. всего в каждом подуровне может принимать (2l + 1) значений, количество которых показывает число возможных положений электронного облака данного типа в пространстве. Все орбитали одного подуровня обладают одинаковой энергией и называются вырожденными.

Состояние электрона в атоме, охарактеризованное значениями квантовых чисел n, l и m_l, называется атомной орбиталью (АО) и графически изображается в виде квадрата или в виде черты , которые называют энергетической ячейкой.

4. Спиновое квантовое число m_s характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси. m_s может принимать только два значения m_s = +½ ( ) и m_s = – ½ ( ) .

Таблица 2