УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение.
См. № 4—14, 16—28, 30—34, 37—44, 47, 48/2002;
1,  2,  3, 4, 5/2003

§ 4.5. Электрон в атоме

Этот материал важен для всех, кто хочет быть образованным человеком. Кроме того, материал необходим тем, кто предполагает в будущем заниматься деятельностью, связанной с решением различных философских проблем.

Атомно-молекулярное учение и вытекающие из него стехиометрические законы и представление о валентности дают косвенное указание на сложность атома. Однако наиболее убедительным, но также косвенным доказательством сложности атома является периодический закон Д.И.Менделеева, его периодическая система и периодическая таблица элементов.
Атом представляет собой систему из ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и распределенных вокруг ядра электронов, число которых равно числу протонов в ядре (или порядковому номеру элемента).
Современная теория строения атома основана на законах, описывающих поведение микрообъектов – микрочастиц, фундаментальных частиц, электронов в том числе.
Что такое макрообъекты? Где и когда вы имеете дело с микро- и макрообъектами?
Массы и размеры микрообъектов чрезвычайно малы, поэтому их поведение принципиально отличается от поведения макрообъектов, т. е. различных окружающих нас тел, изучаемых классической физикой.
Представление об электронах как о микрочастицах основано на следующих трех главнейших положениях:

1) квантовый характер энергетических изменений;
2) двойственное, корпускулярно-волновое, поведение микрочастицы;
3) неопределенность положения микрочастицы и ее скорости.

Обсудим очень кратко эти положения. Под микрообъектами будем подразумевать электроны и изолированные атомы.
Квантовый характер энергетических изменений. Микрообъекты поглощают и испускают энергию отдельными, строго определенными порциями – к в а н т а м и. Это происходит из-за того, что энергия микрообъектов может принимать только определенные значения, кратные числу квантов. Энергия микрообъекта может изменяться скачкообразно на величину одного кванта.
Энергия кванта связана с частотой излучения: чем меньше длина волны или больше частота колебаний, тем выше энергия кванта, и наоборот. По этой причине ультрафиолетовые лучи обладают большей энергией, чем лучи видимого света.
Квантовый характер энергетических изменений особенно ярко проявляется в спектрах веществ, и в первую очередь в атомных спектрах. Они состоят из отдельных спектральных линий, каждая из которых характеризуется определенной частотой колебаний света и строго соответствует квантовому переходу внешних электронов атомов с одного энергетического уровня на другой.
Каждому элементу отвечает свой спектр, т. е. каждый вид атомов имеет свой (характеризующий его) прерывистый (дискретный) ряд значений внутренней энергии.
Атом элемента, поглотив энергию, через некоторый промежуток времени возвращается в первоначальное состояние, излучая поглощенную энергию. Из этого следует, что у атома должно быть некоторое состояние с наименьшей энергией, которое называется основным, или нормальным. При поглощении энергии атом из основного состояния переходит в состояние с большей энергией – возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атом находится очень короткое время и через 10^–8–10^–9 с испускает энергию и «перескакивает» на нижерасположенный энергетический уровень или на уровень основного состояния.
Изложенные выше свойства атома – дискретность значений его энергии и поглощение и испускание энергии (света) квантами – были сформулированы Н.Бором (1913) в виде двух постулатов.
Первый постулат Бора. Атомы могут существовать, не изменяя своей энергии, т. е. не излучая и не поглощая ее, только в определенных состояниях, которым отвечает дискретный (прерывистый) ряд значений энергии, причем атом, испуская или поглощая энергию, скачкообразно переходит из одного состояния в другое.
Второй постулат Бора. При переходе из одного состояния в другое атом испускает или поглощает один квант энергии.

Постулаты Бора были сформулированы для модели вращающегося электрона, или планетарной модели атома, от которой сейчас отказались. Теперь мы говорим, что электрон не вращается вокруг ядра, а находится на определенном энергетическом уровне.

Двойственное, корпускулярно-волновое, поведение микрочастицы. Свет обладает рядом свойств, характерных одновременно для волны и частицы. Дифракция и интерференция света говорят о его волновой природе, а явление фотоэффекта – о его поведении как потока частиц. Подобное корпускулярно-волновое поведение свойственно не только свету, но и многим другим частицам, в том числе и электронам.

Дифракция света – то же самое, что дифракция волн, или огибание волнами различных препятствий. Дифракцию света можно наблюдать при его прохождении сквозь узкие отверстия или распространении вблизи края непрозрачного тела.
Интерференция волн – явление, наблюдающееся при одновременном распространении в пространстве нескольких волн и их наложении друг на друга. При интерференции света происходит пространственное перераспределение светового излучения (из-за наложения волн). Интерференцию света можно наблюдать на экране в виде чередования светлых и темных или различно окрашенных полос (или пятен). То же самое проявляется и в поведении электрона.
Фотоэффект – явление, связанное с испусканием электронов из кристаллических (и жидких) тел под действием электромагнитного излучения.
Корпускула – очень маленькая частица вещества.

Одно из свойств материи – ее двойственность, или дуализм: материя (вещество и поле) обладает корпускулярными и волновыми свойствами. Соотношение «волна – частица» таково, что при уменьшении массы частицы ее волновые свойства усиливаются, а корпускулярные ослабляются. У излучения с возрастанием энергии, или, что то же самое, увеличением частоты, или уменьшением длины волны происходит усиление корпускулярных свойств, и наоборот.

Неопределенность положения микрочастицы и ее скорости. Раньше считалось (так считал и Бор), что электроны вращаются вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Но если точно установить скорость электрона на его орбите, оказывается невозможным одновременно точно определить его положение. И наоборот, если точно определить положение электрона на орбите, оказывается невозможным точное нахождение его скорости.
В таком случае мы говорим, что имеет место неопределенность в одновременном установлении скорости электрона и его положения. Для первой, самой близкой к ядру орбиты неопределенность в скорости движения электрона равна самой его скорости!
Принцип неопределенности применим ко всем без исключения объектам, однако у окружающих нас макротел неопределенности в положениях и скоростях настолько малы, что не могут быть обнаружены.

Представьте себе, что вы мчитесь в автомобиле. Вы знаете скорость автомобиля, но сказать, в каком точно месте дороги вы находитесь, не можете – ваше местоположение непрерывно меняется, и можно лишь говорить о некоторой вероятности своего местонахождения на определенном участке дороги. Или еще один пример. По железной дороге передвигается локомотив. Вы – артиллерист и хотите узнать скорость поезда. Вы рассуждаете просто: следует выстрелить из пушки двумя снарядами, засечь время между вспышками от разрывов снарядов на локомотиве и, зная расстояние, вычислить скорость. Местоположение локомотива вы определяете по вспышкам. Но скорость точно вы определить не можете, ведь удар снаряда по локомотиву изменяет его скорость.
Точно так же получить информацию о скорости микрообъекта можно, воздействуя на него квантом света (фотоном), но этот квант света изменит его скорость. Сведения о поведении электрона в атоме мы получаем по энергии излучаемого кванта света. Но при испускании кванта света атомом электрон должен изменить свою энергию и местоположение в пространстве вокруг ядра, и мы снова сталкиваемся с неопределенностью в установлении его скорости и местоположения.

Можно утверждать, что в микромире вообще нельзя точно определить положение и скорость частицы. Отсюда следует важный вывод: если невозможно точно найти координаты и скорости электронов, то нельзя точно описать размер и форму их орбит, а также размер и форму атома. Все, что можно сказать о положении электрона в атоме, – это только вероятность его нахождения в какой-либо точке или области пространства, поэтому представление об электроне, вращающемся по орбите вокруг ядра, не соответствует свойствам микромира.
Вероятностями положений электрона определяются плотности его нахождения в атоме, или просто электронные плотности. Эти вероятности обрисовывают положения электрона в виде размазанного облака, которое называют не орбитой, а орбиталью.

Список новых и забытых понятий и слов

О.С.ЗАЙЦЕВ