Учебное пособие: Квантово-механічна теорія будови речовини

Е = hn – рівняння Планка

де n – частота; h – стала Планка = 6,625 · 10–34 Дж·с.

Постулат Планка був обгрунтований у 1905 р. А. Ейнштейном, який аналізуючи явище фотоефекту дійшов висновку, що електромагнітна (промениста) енергія існує лише у формі квантів і випромінювання є потоком неподільних матеріальних часток (фотонів), енергія яких визначається рівнянням Планка.

З погляду класичної механіки обертання ē з масою m навколо ядра атома визначається моментом кількості руху – mvr. Припускається, що v і r можуть змінюватися як завгодно і неперервно.

У квантовій механіці енергія ē, що рухається, може змінюватися тільки квантами. Це означає, що величини r і v також мають змінюватися стрибкоподібно. В квантовій механіці момент кількості руху виражається співвідношенням

 і може дорівнювати n

де n = 1,2,3,4.... будь-яке ціле число

Враховуючи квантову теорію світла, лінійчатий характер атомних спектрів, планетарну модель будови атома Резерфорда Н. Бор у 1913 р. сформулював основні свої теорії для атома водню у вигляді постулатів.

1. Поняття стаціонарної орбіталі, перебуваючи на яких електрон не поглинає і не випромінює енергію. Для електронів, що рухаються на таких орбіталях, момент кількості руху повинен бути цілим кратним кількості :

mevr = n                                                                                      (1)

me – маса електрона; v – швидкість руху електрона;

r – радіус орбіти (віддаль між центром ядра і електроном);

n – будь-яке ціле число; h – стала Планка.

З формули (1) визначаємо v:

                                                                                    (2)

Вважаючи, що електрон утримується на такій орбіті внаслідок урівноваження двох сил, що діють на нього: сила електростатичного притягання його ядром і центробіжна сила його оберту. Можемо записати:

                                                                                        (3)

е – заряд електрона і ядра.

З рівняння (3) визначаємо r:

                                                                                          (4)

Підставляємо в (4) значення v із (2):

                                                                                 (5)

                                                                                    (6)

Для першої стаціонарної орбіталі n = 1:

r1= 0,529172 · 10–8 см;

r2 = 22 · r1 = 4 r1; r3 = 9 r1; r4 = 16 r1, тобто r1 : r2 : r3 ... = 12 : 22 : 32 : 42...

З двох рівнянь (7) і (8) можна визначити швидкість руху електрона

Для цього визначимо r з рівнянь (7) і (8), і прирівняємо між собою:

 ; ;

                                                                                           (9)

Підставивши значення p, me, e і h в (9), одержимо:

vn = 2,187 · 10–6 м/сек.

2. Другий постулат Бора говорить про те, що випромінювання або поглинання енергії проходить квантами при переході електрона з одної стаціонарної орбіталі на іншу.

Вважаючи потенціальну енергію електрона, що знаходиться в нескінченності, рівній нулю, то потенціальна енергія електрона, що перебуває на віддалі r, має слідуюче значення:

Епот = –= –                                                                   (10)

(у рівняння (10) підставили значення r із формули (6)).

Значення кінетичної енергії електрона наступне:

Екін = –= –                                                                (11)

(у рівняння (11) підставили значення v із формули (2)).

Тоді повна енергія електрона рівна:

Е = Епот + Екін = –

Зміна енергії атома при переході електрона з орбіти n = b на орбіту з n = a буде визначатись рівнянням

Еb – Еa = hn = ;

n = ; n = R (R – стала Рідберга)

В результаті Н. Бор визначив сталу Рідберга і показав, що найменше значення енергії електрона атома водню рівне (–R). При переході електрона з одної можливої орбіти на іншу поглинається або випромінюється енергія (мал. ).

Але теорія Бора не спроможна була пояснити порядок розміщення декількох електронів на орбіталі. Складна структура спектру багатоелектронних атомів вимагала більш глибокого наукового пояснення.

Подальше удосконалення теорії будови атома пов’язане з хвильовим характером руху мікрочасток і ймовірним методом опису мікрооб’єктів. У 20-х роках ХХ століття завдяки роботам де Бройль, Е. Шредінгера, В. Гейзенберга були розроблені основи хвильової теорії про корпускулярно-хвильову природу світла.

Мал. . Схема виникнення водневого спектру.

У 1924 р. де Бройль, розвиваючи теорію квантів, ввів поняття про «корпускулярні» хвилі. Він відмітив, що для фотонів повинні виконуватись два основних рівняння:

Е = hn; E = mс2; mс2 = hn; mс2 = h; n = ; λ = ;

P = mс – кількість руху або імпульс.

Потім висунув гіпотезу, що рух таких часток, як електрони, пов’язаний з хвильовим рухом, довжина хвилі якого має вираз аналогічний відповідному рівнянню для фотонів λ = , де m – маса частки (в г); v – швидкість руху частки (см/сек). Ця гіпотеза про хвильову природу електронів одержала експериментальне підтвердження, коли Девіссон і Джермер (1927 р.) і Томсон і Рід (1928 р.) незалежно один від одного показали, що пучок електронів може давати дифракційний інтерференційний ефект. Це явище можна пояснити тільки, якщо електронному пучку приписати хвильові властивості. Тому можна сказати, що не тільки світлові хвилі ведуть себе як потік малих часток (фотонів), але і потоки малих часток , таких як електрони. Це протиріччя було розв’язане за допомогою принципа невизначенності Гейзенберга (1927 р.). Цей принцип можна проілюструвати ”уявним експериментом”, в якому розглядається поведінка даної системи при даних умовах. Припустимо, що електронна пушка може вистрілити один електрон, направивши його горизонтально з відомою швидкістю в абсолютно вакуумовану посудину.

Мал. . Уявний експеримент Гейзенберга:

1 – електронна пушка; 2 – джерело світла;

3 – мікроскоп.

Джерело світла (2) може випускати фотони будь-якої необхідної енергії (тобто частоти або довжини хвилі). Єдиний електрон можна спостерігати в ідеальний мікроскоп. Спочатку електрон буде рухатись по параболічній траєкторії під дією гравітаційного поля Землі. Але, коли він зіткнеться з фотоном, що має певну масу, то він відскочить і його швидкість зміниться. Тому, ведучи спостереження через послідовно малі проміжки часу можна помітити, що електрон рухається зигзагоподібно під впливом послідовних зіткнень з фотоном.

Якщо енергію фотонів (hn) знизити, то можна зменшити вплив зіткнень. Однак, це приведе до збільшення довжини хвилі  світла і тому електрон буде визначатися менш точно, внаслідок зниження роздільної здатності мікроскопа. Таким чином, при використанні світла низької частоти можна точно знати швидкість електрона, але не його положення.

З іншого боку, світло з короткою довжиною хвилі складається з фотонів високої енергії (hn) і хоча диференційні помилки в мікроскопі будуть невеликими, але на швидкість мікрона буде сильно впливати кожне зіткнення з фотоном. Таким чином при використанні такого випромінювання можна знати положення електрона, але не його швидкість. Гейзенберг показав, що добуток невизначеностей положення і швидкості не може бути меншим від , тобто Dt · Dv ³ . Отже, Гейзенберг вважав, що в атомних масштабах траєкторію частки уже не можна розглядати з математичною точністю, а замість цього повинна існувати смуга невизначеності, в якій частка може рухатися по всій області можливих положень. Цей рух має характерні риси хвильового руху і тому його можна трактувати на основі рівнянь хвильової теорії; цей предмет відомий як хвильова механіка.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8