Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Чтобы получить представление обо всей электронной оболочке атома, нужно рассмотреть, каким образом происходит заполнение электронами разрешенных стационарных состояний отдельных электронов. В атоме, находящемся в невозбужденном состоянии, электронные состояния должны быть заполнены таким образом, чтобы энергия всей его электронной оболочки имела наименьшее возможное значение. Конечно, наименьшее значение энергии получилось бы, если бы все электроны находились в наинизшем возможном состоянии, т. е. в состоянии с п = 1. Но опытные данные свидетельствуют о том, что заполнение электронной оболочки атома происходит иначе.
Принцип Паули. В 1925 г. В. Паули установил общий квантовомеханический принцип, согласно которому в любой системе в каждом разрешенном состоянии не может находиться более одного электрона.
Принцип Паули не имеет аналога в классической физике. Он связан с неразличимостью тождественных частиц в микромире: перестановка местами двух электронов в системе не может изменить ее состояния. Принцип Паули дает ключ к пониманию электронной структуры химических элементов и позволяет объяснить тот факт, что химические свойства некоторых атомов с разным числом электронов оказываются сходными. Выражением этого факта является периодичность химических свойств элементов, нашедшая отражение в эмпирически установленной периодической системе Менделеева.
Многоэлектронные атомы. Попытаемся получить общее представление о строении тяжелых атомов, т. е. атомов с большим значением заряда ядра. Электронное облако таких атомов имеет слоистую, или, как говорят, оболочечную, структуру. На первый взгляд могло бы показаться, что размер электронного облака должен монотонно возрастать по мере перехода к все более и более тяжелым атомам, так что тяжелые атомы должны быть гораздо крупнее атома водорода. Однако в действительности это не так. Начнем с «голого» ядра и будем по одному последовательно прибавлять к нему все новые электроны. Для первого электрона, помещенного в поле ядра с зарядом Ze, можно воспользоваться теми же формулами, что и для атома водорода, заменив в них е2 на Ze2. Энергия связи такого электрона будет в Z2 раз больше, чем в атоме водорода, а расстояние от ядра — в Z раз меньше радиуса а0 первой боровской орбиты в атоме водорода. Это же будет приближенно справедливо и для второго прибавляемого электрона. Но что будет после прибавления п электронов?
84
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
На больших расстояниях от ядра поле такого иона будет похоже на поле ядра с зарядом (Z — п)е, так как ранее прибавленные электроны, находящиеся близко от ядра, частично экранируют его заряд. Поэтому легко понять, что последующие электроны оказываются все менее и менее сильно связанными с ядром. После прибавления предпоследнего, т. е. (Z—1)-го, электрона электрическое поле иона будет подобно полю облака с суммарным зарядом +е. Радиус этого облака будет одного порядка с боровским радиусом а0. Поэтому энергия связи последнего электрона будет сравнима с энергией связи электрона в атоме водорода, т. е. порядка десяти элект-рон-вольт, а окончательный размер многоэлектронного атома будет близок к размеру атома водорода и составит несколько ангстрем.
Даже такое грубое представление об электронной структуре тяжелого атома позволяет оценить, к какой области спектра относится излучение, связанное с переходами тех или иных электронов. Легко убедиться, что изменение состояния внешних электронов связано с излучением или поглощением электромагнитных волн оптического диапазона. Поэтому внешние электроны часто называют оптическими. Наоборот, переходы внутренних, близких к ядру атома электронов соответствуют ультрафиолетовой или рентгеновской области спектра.
Подводя итоги, мы приходим к выводу, что к находящимся в атомах электронам законы классической физики, вообще говоря, неприменимы. Такие фундаментальные свойства атомов, как их устойчивость, или особенности химического поведения, характеризуемые периодической системой элементов Менделеева, противоречат классической физике и требуют для своего объяснения новых понятий современной квантовой физики.
/
• Покажите, что в предложенной Томсоном модели атома водорода на электрон, находящийся внутри атома, действует сила, пропорциональная его смещению из центра атома.
• Почему в опытах по рассеянию альфа-частиц атомами электроны, входящие в состав атомов, не играют никакой роли?
• Покажите, что положительный заряд, распределенный по всему объему атома, не мог бы отклонить альфа-частицу в опытах Резерфорда на большие углы. Оцените наибольший возможный угол рассеяния альфа-частицы в такой модели распределения заряда в атоме.
• Почему ядерная модель атома может быть только динамической? Другими словами, почему в рамках такой модели электроны в атоме не могут покоиться?
• Почему в планетарной модели атома гравитационная сила притяжения электронов к ядру никакой роли не играет?
• Объясните, в чем постулаты Бора противоречат классической механике и электродинамике.
