Основы строения атомов

Большинство из нас думает, что знает об атомах достаточно много. Мы знаем какие они маленькие и даже можем дать определение атому. Но как же человечество пришло к пониманию, что такое атом и каковы основы строения атомов?

В 1897 году Дж. Дж. Томпсон провел такой опыт: в вакуумную трубку между двумя палочками (электродами) подавалось напряжение. Он заметил, что в результате этого, проходит пучок сверкающих лучей от «-» к «+» электроду. Он назвал их катодными лучами, позднее их стали называть электронными лучами. С помощью магнита, Томпсон определил, что эти лучи содержат частицы с отрицательным зарядом. После большой серии опытов удалось установить, что отрицательные частицы (электроны) очень малы, по сравнению с тем, что дает положительный заряд атому.

Катодные лучи Томпсона
Катодные лучи Томпсона

В результате была разработана модель атома «пудинг с изюмом». Т.е. Атом – это большое облако, имеющее «+» заряд (пудинг) с очень маленькими вкраплениями «-» заряженных частиц (электроны — изюм).

Модель Томпсона
Модель Томпсона

В 1907 году Эрнест Резерфорд «дурачился» в своей лаборатории, запуская в тонкую золотую фольгу альфа-частицы, чтобы увидеть, как они отклоняются облаком положительного заряда.

Опыт Резерфорда
Опыт Резерфорда

Но вот произошло то, что он никак не ожидал увидеть: хотя большинство частиц летели прямо, некоторые отклонялись на большой угол, а некоторые летели назад в сторону источника. Этот эксперимент позволил предположить, что весь положительный заряд находится в ядре атома, а отрицательно заряженные электроны плавают вокруг него. Согласно ядерной модели строения атома по Резерфорду, большую часть атома занимает пустое пространство.

Модель Резерфорда
Модель Резерфорда

Пока другие ученые ставили эксперименты с катодными лучами, Нильс Бор был озадачен теми линиями, которые давал водород при добавлении ему энергии. И вот возникла планетарная модель атома, в которой Бор предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам, подобно планетам, вращающихся вокруг Солнца. Также он полагал, что чем дальше электрон находится от ядра, тем большей энергией он обладает. При получении атомом дополнительной энергии, электроны с ближних орбит могут перескакивать на более отдаленные. Начальная орбиталь называется основной, а конечная – возбужденной. Энергия, полученная атомом должна куда-то уйти, и она высвобождается в виде квантов электромагнитного излучения. Т.к. существует несколько возбужденных состояний, то испускаются кванты различных энергий. Этим он объяснил полученный спектр водорода.

Опыт Нильса Бора
Опыт Нильса Бора

Во что мы верим сейчас? Из предыдущего раздела Основные понятия и законы химии, мы знаем, что Атомное ядро имеет положительный заряд и состоит из  протонов (Z) и нейтронов (N), а сумма масс протонов (Z) и нейтронов (N) атомного ядра называется массовым числом A = Z + N. Электроны расположены на своих орбиталях вокруг ядра.

частица

зарядзаряд (Кл)местона-хождениемасса (а.е.м.)масса (г)
протон

+1

1,6·10×10-19

ядро

1

1,7·10×10-24
нейтрон

0

0

ядро

1

1,7·10×10-24
электрон-1-1,6·10×10-19орбиталь0

9,1·10×10-28

Число протонов в элементе совпадает с числом электронов.  Атомы электронейтральны – число протонов совпадает с числом электронов, а вот число нейтронов  может отличаться, тогда появляются изотопы. Поскольку все элементы имеют несколько изотопов, то у каждого из них мы будем иметь среднюю атомную массу от масс всех изотопов.

А  что же такое атомная орбиталь, какова ее природа и как она выглядит? В результате титанического труда многих ученых, родилась новая теория строения атома – квантовая. Электрон обладает корпускулярно-волновым дуализмом, является одновременно волной и частицей. Масса и заряд электрона – это свойства частицы, а способность к дифракции и интерференции —  волновые Уравнение де Бройля связывает эти два свойства электрона.

λ=h/mv,

где λ — длина волны,  m— масса частицы,  v— скорость частицы,  h— постоянная Планка = 6,63·10-34 Дж·с.

Вскоре было выведено уравнение Шредингера (описывает электрон как волну):

Уравнение Шредингера

где  E— полная энергия электрона,  V-потенциальная энергия электрона,  Ψ-квадратный корень от вероятности нахождения электрона в пространстве с координатами xy и z (при этом начало координат — ядро).
Уравнение предполагало, что точно  предсказать местонахождение и траекторию движения электрона невозможно. Однако, вероятность нахождения электрона можно с помощью волновой функции. Теперь орбитали стали не двухмерными, как считалось ранее, а трехмерными телами. Орбиталь — это околоядерное пространство, в котором вероятность обнаружения электрона равна 95%.

Т.о. можно описать 4 разных видов орбиталей: s-орбитали (имеют шарообразную форму), p-орбитали (объемные восьмерки, гантелеобразная форма), а также d- и f-орбитали (орбитали более сложной формы).

Формы s-, p-, d-рбиталей
Формы s-, p-, d-рбиталей

Электроны в зависимости от занимаемого подуровня, называют s-, p-, d- и f-электронами. Элементы, внешние электроны которых занимают только s-подуровень, называются s-элементами. Таким же образом называют p-элементы, d-элементы и f-элементы.

Чтобы описанные раннее уравнения работали, нужны 4 переменные. Опишем их:

  • Главное квантовое число, n. Его используют для описания уровня энергии электрона. Эта величина может быть 1, 2, 3….до бесконечности и определяет номер периода.
  • Орбитальное квантовое число, l. Его используют для описания формы и типа орбитали. Ее возможные значения – это 0, 1, 2….(n-1). У сферической орбитали l=0, у гантелеобразной р-орбитали l=1, у странной формы d-орбитали l=2, у еще более странной формы f-орбитали l=3. Набор орбиталей с одинаковыми значениями n называется энергетическим уровнем, c одинаковыми n и l — подуровнем. Подуровни содержат одинаковые по энергии орбитали.
  • Магнитное квантовое число, ml. Его используют для определения ориентации орбитали в пространстве. Принимает следующие целочисленные значения: от –lдо l. Например, если l=2, то возможные величины ml: -2,-1,0,1,2, т.е. существуют 5d-орбиталей. Аналогично существует 1 s-орбиталь, 3 p– орбитали и 7 f- орбиталей.
  • Спиновое квантовое число, ms. Еговозможные величины +1/2 и -1/2. Известно, что орбиталь способна удерживать 2 электрона, поэтому возникла необходимость в четвертом квантовом числеms. Принцип Паули гласит, что никакие два электрона в атоме не могут иметь одинаковый набор квантовых чисел.

Из принципа Паули вытекает, что на энергетическом уровне n может находиться не более чем 2n2 электронов, на n2 подуровнях.

Существует правило, которое гласит, что электроны размещаются на уровнях и орбиталях не беспорядочно, а по принципу наименьшей энергии, т.е. сумма главного и орбитального квантовых чисел n+l была наименьшей. Это правило известно, как  правило Клечковского. В случае, когда сумма равна, сначала идет заполнение энергетического уровня с  наименьшим главным квантовым числом. Заполнение орбиталей происходит в следующем порядке:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d ≈ 4f < 6p < 7s

Таким образом, на каждом энергетическом уровне s-орбитали обладают наименьшей энергией, далее идут p-, d- и f-орбитали. Поэтому электроны займут s – орбиталь прежде других орбиталей.

В пределах одного периода, находясь в основном состоянии, атом стремится к максимально возможному числу неспаренных электронов, об этом гласит правило Хунда. Т.е., согласно этому правилу суммарный спин электронов должен быть максимален.

Зная, где находится электрон, мы можем написать его электронную конфигурацию (запись ряда орбиталей атома, на которых находятся электроны), которая составляется по образцу:

n(тип орбитали)число электронов на этой орбитали

Давайте обобщим наши знания. Итак, заполнение орбиталей идет следующим образом:

  1. Главное квантовое число n минимально;
  2.  Внутри уровня электроны сначала занимают s- орбиталь, после p- и лишь затем d- и f-(при минимальном l );
  3. Заполнение орбиталей происходит по правилу Клечковского: (n + l) минимально;
  4. В пределах одного подуровня электроны располагаются согласно правилу Хунда так, чтобы их суммарный спин был максимален, т.е. количество неспаренных электронов должно быть максимальным.
  5. Согласно принципу Паули, в атоме все электроны обладают разным набором 4-х квантовых чисел и на энергетическом уровне n может находиться не более чем 2n2 электронов.

При сообщении атому дополнительной энергии (действие температуры, рентгеновского или электромагнитного излучения), его электроны переходят в возбужденное состояние. При этом один или несколько электронов основного состояния переходят с занятых орбиталей на свободные. Предпочтительно возбуждаются электроны внешних оболочек, т.к. образующиеся состояния обладают наименьшей энергией.

Это состояние очень неустойчиво и длится всего миллионные доли секунды.