🗊Презентация Історичні моделі будови атому

Ернест РЕЗЕРФОРД, Барон Резерфорд Нельсонський I 1871-1937 університет, де під його керівництвом Ганс Гейгер винайшов свій знаменитий лічильник Гейгера. Саме там у 1911 році відкрив існування атомного ядра. В роки Першої світової війни займався розробкою сонарів. У 1919 році став професором фізики і директором Кавендишської лабораторії Кембріджського університету і у тому самому році відкрив розпад ядра в результаті бомбардування важкими частинками високих енергій. На цій посаді Резерфорд залишалася до кінця життя. Одночасно був резидентом Королівського наукового суспільства. Похований у Вестмінстерському абатстві поруч з Ньютоном, Дарвіном і Фарадеєм.

Нільс Бор, один з основоположників сучасних уявлень про субатомний світ, творець першої квантово-механічної моделі будови атома. Фотографія зроблена в 1948 році в Принстонському університеті (США)

існують стаціонарні стани атома, знаходячись у яких він не випромінює і не поглинає енергію. Цим стаціонарним станам відповідають цілком визначені (стаціонарні) орбіти, по яким рухаються електрони. Правило квантування орбіт Бора стверджує, що в стаціонарному стані атома електрон, рухаючись по коловій орбіті, повинен мати квантові значення моменту імпульсу, що задовольняють умові L= mVr = ħn де (n=1, 2, 3, …) – головне квантове число, що нумерує орбіти електрона в теорії Бора. Стан з n=1 є основним, не збудженим станом атома. В основному стані атом може знаходитися нескінченно довго. Стани з n>1 - це збуджені стани атома. В таких станах атом може існувати обмежений час.

при переході атома з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається один фотон (квант енергії). Випромінювання відбувається при переході атома зі стану з більшою енергією в стан з меншою енергією. Поглинання фотонів супроводжується переходом атомів у стан з більшою енергією. Зміна енергії атома, пов'язана з випромінюванням або поглинанням фотона, пропорційна частоті випромінювання. Якщо - зміна енергії атома в результаті цих процесів, то ΔE=hv

Атом водню в теорії Бора

Виведення формули Бальмера з постулатів Бора Електрон в атомі водню утримується силою Кулона: F=ke2 /r2 Ця сила надає електрону доцентрове прискорення: F=mV2/r З іншого боку, принцип квантування орбіт дає: mVr = nħ Тоді: mV2/r = ke2 /r2 або mV2r = ke2

Виведення формули Бальмера з постулатів Бора З цих рівнянь знайдемо швидкість електрона на стаціонарному рівні V = ke2 / nħ і радіус орбіти електрона r = n2ħ2/mke2 Згадаємо, що: k = 1/4πε0 I ħ = h/2π

Енергія електрона в атомі водню дорівнює сумі кінетичної енергії і потенціальної енергії його взаємодії з ядром W = Wk +Wp Wk = mV2/2; Wp = - ke2/r Знак “-” відповідає притяганню між електроном і ядром. Тоді W = mV2/2 - ke2/r. Підставимо в це рівняння отримані раніше значення швидкості і радіуса. Тоді для значення повної енергії електрона в атомі водню отримаємо W= - mk2e4/2π2ħ2n2. Енергія Wі = mk2e4/2π2ħ2 Називається енергією іонізації, тоді енергія атома на n–му енергетичному рівні W = - Wі /n2.

Згідно до другого постулату Бора: ħv = - Wі (1/n2 - 1/m2). Таким чином, ми отримали серіальну формулу, яка визначає можливі спектральні лінії в спектрі атома водню v= R (1/m2 - 1/n2), де R= Wі /ħ - стала Рідберга.

Усі лінії спектра випромінювання атомів, які випромінюються при переході електронів з будь-якої орбіти на певну, називають серією. Ці серії в спектрі атома водню отримали свої назви. Для: m = 1 - серія Лаймана, (n =2,3,4...)вона належить до ультрафіолетової частини спектра; m = 2 - серія Бальмера, (n =3,4,5...) видима серія. Ця серія вивчається в даній роботі; m = 3 - серія Пашена, (n =4,5,6...) - в близькій інфрачервоній області, m = 4 - серія Брэкета, (n =5,6,7...) - в близькій ІЧ області. m = 5 - серія Пфунда, (n =6,7,8...) - в далекій ІЧ області. Наведені серіальні закономірності є яскравим проявом квантових властивостей атомних систем. Як приклад наведемо формулу Бальмера для серії Бальмера v= R (1/22 - 1/n2),

Спектр атому водню І – серія Лаймана; ІІ – серія Бальмера; ІІІ – серія Пашена; ІV – серія Брэкета; V – серія Пфунда.

Спектр ( лат. spectrum від лат. Spectare дивитися) - сукупність значень та їх розподіл за певним параметром, значення якого може набувати спостережувана величина. Оскільки першими було отримано оптичні спектри, то найчастіше термін спектр використовується згідно з „історичним” значенням - розподіл потоку випромінювання або частинок за довжинами хвиль або енергії. Розрізняють наступні оптичні спектри Суцільні, лінійчасті, смугасті.

Лінійчасті спектри дають речовини в атомарному стані

Смугасті спектри дають речовини в молекулярному стані

Суцільні спектри дають речовини в твердому стані або в стані високотемпературної плазми (зірки, Сонце – зірка)

АТОМ ВОДНЮ В КВАНТОВІЙ МЕХАНІЦІ Потенціальна енергія електрона в цьому атомі дорівнює:

Ервін Шредінгер - австрійський фізик, один з творців квантової механіки. Найважливішою заслугою Шредінгера є створення їм хвильової механіки (кінець 1925 — початок 1926): виходячи з гіпотези Л. де Бройля про хвилі матерії, він показав, що стаціонарні стани атомних систем можуть розглядатися як власні коливання хвильового поля, яке відповідає даній системі; Шредінгер знайшов основне рівняння нерелятивістської квантової механіки (рівняння Шредінгера) та застосував його для вирішення окремих задач. Встановив зв'язок хвильової механіки з «матричною механікою» В. Гейзенберга. Розвинений Шредінгером математичний формалізм й уведена ним хвильова функція y з'явилися найбільш адекватним математичним апаратом квантової механіки і її застосувань. Нобелівська премія (1933). Іноземний член АН СРСР (1934).

Вирішення рівняння Шредінгера дозволяє отримати важливі результати. Виявляється, що стан атому можна визначити за допомогою набору квантових чисел: 1, n=1,2,3… - головне квантове число, нумерує енергетичні стани атому за збільшенням енергії, причому стан з n=1 називається основним станом. В основному стані атом може знаходиться необмежений час, це стан з мінімальною потенціальною енергією. Стани з n>1 - збуджені стани, в таких станах атом може знаходитись обмежений час (за звичай), потім атом має перейти на нижчий рівень. Рівняння Шредінгера має вирішення а) за будь-яких додатних значень енергії (електрон пролітає поблизу ядра і віддаляється у нескінченість); б) за дискретних від’ємних значень енергії (електрон пов’язаний з атомом):

Отто Штерн (1888 – 1969) Німецько-американський фізик. В 1920 доцент, потім професор університету у Франкфурті-на-Майні, з 1922 професор університету в Ростоці. В 1923—33 професор и директор Фізико-хімічної лабораторії університету в Гамбурзі. В 1933 емігрував у США, професор Технологічного інституту Карнегі в Пітсбурзі (1933—45). Основні праці з ядерної фізики, квантової фізики, термодинаміки. В 1920 вперше безпосередньо виміряв швидкості молекул (дослід Штерна). Вказав на можливість (1921) експериментальної перевірки просторового квантування магнітного моменту атома і здійснив її спільно з німецьким фізиком В. Герлахом (Дослід Штерна – Герлаха). Спільно з німецьким фізиком Р. Фрішем вперше (1933) визначив магнитний момент протона в молекулі H2. Штерн і його співробітники розвинули метод молекулярних і атомних пучків. Нобелівська премія (1943).

Дослід Штерна – Герлаха Магнітне поле створюється між двома магнітними полюсами, один з яких плоский, а інший – дуже гострий. Внаслідок напруженість магнітного поля зростає біля гострого полюса та зменшується біля плоского. Частинки проходять між магнітними полюсами перпендикулярно до площини рисунка, в місці, відзначеному “хрестиком”.

АТОМ ВОДНЮ В КВАНТОВІЙ МЕХАНІЦІ

ОСНОВНИЙ СТАН АТОМУ ВОДНЮ Розглянемо більш детально s - стан електрону в атомі водню при n=1. Такий стан називається основним. Хвильова функція електрону в цьому стані є функцією тільки :r . Це означає, що вірогідність виявити електрон в певній точці атому залежить тільки від r . Вирішення рівняння Шредінгера для воднево подібного атому приводить до енергії атому в основному стані:

ОСНОВНИЙ СТАН АТОМУ ВОДНЮ На рисунку зображена залежність вірогідності виявити електрон в стані з n=1 на різних відстанях від атому. Вона відмінна від нуля в точках

Вольфганг Ернст Паулі

ПРИНЦИП ПАУЛІ (принцип виключення) У 1925 р. Паулі встановив квантово-механічний закон – принцип Паулі (принцип виключення): В будь-якому атомі не може бути двох електронів, які б знаходилися в однакових стаціонарних станах, що визначаються набором чотирьох квантових чисел: головного n, орбітального l , магнітного m, спінового s . Максимальне число електронів, які знаходяться в станах, що визначаються набором трьох квантових чисел n,l,m , тобто відрізняються тільки орієнтацією спінів електронів дорівнює 2, оскільки спін електрону має тільки дві можливі орієнтації Z(n,l,m)=2

ПРИНЦИП ПАУЛІ (принцип виключення) Тепер визначимо максимальне число електронів, що знаходяться у станах, які відповідають двом квантовим числам n і l . Вектор моменту імпульсу може мати (2l+1) різних орієнтацій, то

ПРИНЦИП ПАУЛІ

Періодична система хімічних елементів Д.І.Менделєєва

Теорія періодичної системи базується на наступних положеннях: 1 порядковий номер хімічного елементу дорівнює загальному числу електронів в атомі даного елементу; 2 стан електронів в атомі визначається набором їх квантових чисел . Розподіл електронів за енергетичними станами має задовольняти принципу мінімума потенціальної енергії: із збільшенням числа електронів, кожний наступний електрон має зайняти можливий стан з мінімальною енергією; 3 заповнення електронами енергетичних станів в атомі має відбуватися відповідно до принципа Паулі.