Строение вещества. Современная квантово-механическая модель строения атома. Теория многоэлектронных атомов.

Ядро и электронная оболочка атома

Каждый атом состоит из ядра и электронной оболочки (рис.1). Электронная оболочка атома – это совокупность элементарных частиц – электронов, каждому из которых присущ корпускулярно-волновой характер.

Электрон как частица обладает массой покоя. M_e=9,1095·10ˉ³¹ кг и несет отрицательный электрический заряд, равный 1,6022·10ˉ¹⁹ Кл. Абсолютное (без учета знака) значение этого заряда является наименьшим и называется элементарным зарядом.

Атом в целом не заряжен (электрически нейтрален). Это обусловлено тем, что сумма отрицательных зарядов электронов компенсирована положительным зарядом ядра атома: в каждом атоме число элементарных отрицательных зарядов в оболочке равно числу элементарных положительных зарядов в ядре.

Между положительно заряженным ядром атома и отрицательно заряженными электронами его оболочки действуют электростатические (кулоновские) силы притяжения. Геометрический размер атома, условно записываемый диаметром его электронной оболочки, имеет порядок 10ˉ¹⁰ м, а диаметр атомного ядра – порядок 10ˉ¹⁴ м, т.е по размеру ядро в 10000 меньше, чем атом. Отсюда следует, что:

Масса атома сосредоточена в его ядре.

В легчайшем атоме водорода (имеется в виду атом одного из изотопов водорода – протия, ядро которого состоит из одного протона) ядро обладает массой 1,6726·10ˉ²⁷ кг; электрон легче ядра в 1836 раз (фактически речь идет о сравнении масс электрона и протона).

Рис. 1 Ядро и электронная оболочка

Строение электронной оболочки атома. Энергетические уровни

Строение электронной оболочки атома определяется различным запасом энергии E отдельных электронов в атоме. В соответствии с моделью атома Бора электроны могут занимать в атоме положения, которым отвечают точно определенные (квантованные) энергетические состояния.

Число электронов, которые могут находиться на отдельном энергетическом уровне, определяется формулой 2n², где n – номер уровня, который обозначается арабскими цифрами 1-7; для обозначения энергетических уровней используются также буквы от K до Q. Максимальное заполнение первых четырех энергетических уровней в соответствии с формулой 2n² составляет: для первого уровня К – 2 электрона, для второго L – 8, для третьего M – 18 и для четвертого уровня N – 32 электрона.

Квантово - механическое объяснение строения атома

Орбитальная модель атома

Современные квантово-механические представления о строении электронной оболочки атома исходят из того, что движение электрона в атоме нельзя описать определенной траекторией. Можно рассматривать лишь некоторый объем пространства, в котором находится электрон. Поскольку электрон обладает одновременно свойствами частицы и волны, то подходом к объяснению строения электронной оболочки может быть как корпускулярная теория, так и волновая теория; обе они приводят к одинаковому наглядному представлению, сформулированному как орбитальная модель атома.

1. Обоснование орбитальной модели атома, исходящее из корпускулярного характера электрона, состоит в следующем. Как следует из рис.2, вероятность пребывания электрона в атомном ядре равна нулю, она незначительна вблизи ядра, но быстро возрастает при удалении от ядра. На некотором расстоянии вероятность достигает максимума, а затем медленно уменьшается, ассимптотически приближаясь к нулю на расстоянии, стремящемся к бесконечности. Таким образом, невозможно ограничить то пространство, в котором может находиться электрон, т.е. нельзя (без дополнительных условий) указать размеры атома. Исходя из корпускулярного характера электрона можно говорить о 90 %-ой вероятности его пребывания в ограниченном объеме пространства, которое называется атомная орбиталь.

Рис. 2.Зависимость электронной плотности (или вероятности пребывания электрона на расстоянии r ядро-электрон) в атоме от расстояния от ядра

2. Обоснование орбитальной модели атома, исходящее из волнового характера электрона, состоит в следующем. Электрон заполняет пространство вокруг атомного ядра в форме стоячей волны, которую наглядно можно представить как электронное облако. Плотность электронного облака, понимаемого как облако электрического заряда электрона,− электронная плотность окажется различной и зависящей от расстояния ядро-электрон (рис.1). При ограничении электронной плотности до значения ~ 90 % получается та же орбитальная модель атома.

Атомная орбиталь – это геометрический образ, отвечающий объему пространства вокруг атомного ядра, который соответствует 90 %-ой вероятности нахождения в этом объеме электрона (как частицы) и одновременно 90 %-ой плотности заряда электрона (как волны).

Модель атомной орбитали (электронного облака) очень удобна для наглядного описания распределения электронной плотности в пространстве. При этом s-орбиталь имеет сферическую форму, р-орбиталь – форму гантели, d-орбиталь – четырехлепесткового цветка или удвоенной гантели, f-орбиталь – еще более сложную форму (рис.3).

Рис. 3. Формы s-, p-, d- и f -орбиталей

Если в атомной орбитали находится только один электрон (как в атоме водорода), то говорят об однократно занятой или полузаполненной, полузаселенной атомной орбитали. Если же в атомной орбитали находятся два электрона (как в атоме гелия), то говорят о двукратно занятой или полностью заполненной, полностью заселенной атомной орбитали. Полузаселенные АО играют важнейшую роль при формировании химических связей.

В соответствии с квантово-механическим описанием состояния электрона в атоме каждый электрон является индивидуальной частицей. Такие его свойства, как масса и заряд не выявляют различий между электронами, особенно между теми электронами, которые находятся на одной атомной орбитали (как в атоме гелия). Собственной характеристикой каждого электрона в атоме является спин.

Два электрона, находящиеся в одной атомной орбитали, различаются по спину.

Спин - квантово-механическое свойство электрона, которое невозможно точно объяснить с помощью традиционных представлений на основе механического поведения макрочастиц. Без учета волновых свойств электрона спин можно интерпретировать путем сравнения электрона с шаром, вращающимся вокруг выбранной оси. Спин характеризует направление вращения и, следовательно, при двух возможных направлениях механического вращения должно существовать два разных спина электрона.

Спин - неотъемлемая характеристика электрона в атоме; два электрона на одной атомной орбитали обладают антипараллельными спинами.

Атомную орбиталь удобно изображать в виде квадрата, называемого квантовой ячейкой, а каждый электрон − вертикальной стрелкой, обозначающей один из двух возможных спинов электрона. Квантовая ячейка с одной стрелкой означает атомную орбиталь с одним электроном, т.е. полузаселенную орбиталь, с двумя стрелками − атомную орбиталь с двумя электронами, т.е. полностью заселенную орбиталь, без стрелок - вакантную орбиталь, т. е. без электронов.