Квантово-механическая модель атома

История развития представлений о строении атома

На протяжении истории развития химии и физики учёные неоднократно пытались объяснить строение атома.

Первая научная модель атома была предложена в начале XX века и основывалась на представлении о движении электронов вокруг ядра по определённым траекториям.

Однако дальнейшие исследования показали, что поведение электронов значительно сложнее. Законы классической физики не могли объяснить многие экспериментальные факты, такие как:

• линейчатые спектры атомов;
• устойчивость атома;
• распределение электронов в пространстве.

Решение этих противоречий привело к созданию квантово-механической модели атома, которая является основой современных представлений о строении вещества.

Модель атома Томсона (1904)

В 1904 году английский физик Джозеф Джон Томсон предложил модель атома, согласно которой атом представлял собой положительно заряженную сферу, внутри которой находились электроны.

Эта модель получила название:

«Пудинг с изюмом»

Однако она не могла объяснить результаты экспериментов по рассеянию α-частиц.

Ядерная модель атома Резерфорда (1911)

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил ядерную модель атома.

Согласно этой модели:

• почти вся масса атома сосредоточена в ядре;
• ядро имеет положительный заряд;
• электроны движутся вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца.

Модель объяснила результаты опытов по рассеянию α-частиц, но не смогла объяснить устойчивость атома.

С точки зрения классической физики движущийся электрон должен постоянно терять энергию и в конечном итоге упасть на ядро.

Модель атома Бора (1913)

В 1913 году Нильс Бор предложил модель атома водорода.

Основные положения модели:

• электрон может находиться только на определённых энергетических уровнях;
• при движении по разрешённым орбитам энергия не излучается;
• излучение или поглощение энергии происходит при переходе электрона между уровнями.

Модель Бора успешно объяснила спектр атома водорода, но оказалась недостаточной для многоэлектронных атомов.

Корпускулярно-волновой дуализм

В первой половине XX века было установлено, что микрочастицы обладают двойственной природой.

Они проявляют свойства как частиц, так и волн.

Это явление называется:

Корпускулярно-волновой дуализм

Согласно гипотезе Луи де Бройля, любой движущейся частице соответствует волна.

Для электрона это означает, что его нельзя рассматривать как маленькую частицу, движущуюся по строго определённой траектории.

Принцип неопределённости Гейзенберга

В 1927 году Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости.

Согласно этому принципу невозможно одновременно точно определить:

• координату электрона;
• скорость (или импульс) электрона.

Следовательно, невозможно точно указать траекторию движения электрона вокруг ядра.

Можно говорить лишь о вероятности нахождения электрона в определённой области пространства.

Электрон нельзя представить как частицу, движущуюся по заранее известной траектории.

Основные положения квантово-механической модели атома

Современная модель атома основывается на следующих положениях.

1. Электрон обладает двойственной природой

Электрон проявляет свойства частицы и волны одновременно.

2. Нельзя определить точную траекторию движения электрона

Электрон не движется вокруг ядра по орбитам, как предполагалось в модели Бора.

Можно определить только вероятность его нахождения в различных областях пространства.

3. Состояние электрона описывается волновой функцией

Для описания поведения электрона используется специальное математическое выражение — волновая функция Ψ.

Она позволяет вычислить вероятность нахождения электрона в различных точках пространства.

4. Электроны располагаются в орбиталях

В современной модели вместо понятия «орбита» используется понятие «орбиталь».

Что такое орбиталь?

Орбиталь — область пространства вокруг ядра, в которой вероятность нахождения электрона максимальна.

Важно понимать:

• орбиталь не является траекторией движения электрона;
• орбиталь показывает область наиболее вероятного нахождения электрона.

Поэтому современная химия говорит не о движении электронов по орбитам, а об их распределении в электронных облаках.

Орбиталь показывает не путь движения электрона, а область его наиболее вероятного нахождения.

Электронное облако

Совокупность всех возможных положений электрона образует электронное облако.

Чем выше вероятность нахождения электрона в определённой области пространства, тем более плотным считается электронное облако.

Таким образом:

Электронное облако — вероятностная модель распределения электрона вокруг ядра.

Виды орбиталей

Орбитали различаются по форме и энергии.

Наиболее важными являются четыре типа орбиталей:

Для школьного курса особое значение имеют s- и p-орбитали.

s-орбиталь

• имеет форму шара;
• на каждом энергетическом уровне существует одна s-орбиталь.

p-орбиталь

• имеет форму объёмной гантели;
• на каждом p-подуровне существуют три p-орбитали.

Они ориентированы вдоль трёх взаимно перпендикулярных осей пространства.

Энергетические уровни и подуровни

Электроны в атоме располагаются на энергетических уровнях.

Каждый уровень может содержать несколько подуровней.

С увеличением номера уровня возрастает энергия электронов и их среднее расстояние от ядра.

Значение квантово-механической модели

Квантово-механическая модель позволяет объяснить:

• строение электронных оболочек атомов;
• периодический закон;
• образование химической связи;
• свойства химических элементов;
• закономерности протекания химических реакций.

Именно на основе этой модели строится вся современная химия.

Квантово-механическая модель и периодический закон

Современная формулировка периодического закона основана на квантово-механических представлениях.

Периодическое изменение свойств элементов связано не просто с увеличением атомной массы, а с периодическим повторением строения внешних электронных оболочек атомов.

Поэтому строение электронных оболочек является основой периодичности химических свойств элементов.

Главное запомнить

Квантово-механическая модель утверждает:

• электрон обладает свойствами частицы и волны;
• невозможно точно определить траекторию электрона;
• электрон находится в орбиталях;
• положение электрона описывается вероятностью.

Орбиталь

• не является траекторией движения;
• показывает область наиболее вероятного нахождения электрона.

Электронное облако

• представляет вероятностное распределение электрона вокруг ядра;
• отражает вероятность нахождения электрона в различных областях пространства.

Квантово-механическая модель атома является фундаментом современной химии и физики.