Kвантовата теория

Всяко нагрято тяло излъчва енергия под форма на електромагнитни вълни и обратно: електромагнитна енергия се поглъща от телата и повишава тяхната температура. Телата могат да поглъщат само онези вълни, които могат и да излъчват. Тялото, което може да поглъща и излъчва всички видове вълни се нарича абсолютно черно тяло. На практика такова не съществува, но то е идеализиран модел, който е удобен за използване във физиката и термодинамиката. Според класическата физика абсолютното черно тяло трябва да има непрекъснато електромагнитно излъчване, но на практика не е така. Макс Планк предлага обяснение с квантовата си теория.
Според нея, енергията също има дискретен (прекъснат) характер, т.е. тя се излъчва и поглъща на порции – кванти. „Порционираната“ енергия предполагала и наличието на дискретни енeргетични нива в атома.

Модел на Бор

Нилс Бор предлага квантовият модел за описание на атомния строеж. Според него електроните не обикаляли по произволни орбити около ядрото, а по точно определени квантувани орбити. Докато се намират на дадена орбита те не приемат и не излъчват енергия. Това се случва само ако електронът преминава на друго енергетично ниво. Ако електронът прескочи на съседна орбита той ще „приеме“ или „отдаде“ една порция енергия, т.е. един квант. Всъщност според тази хипотеза, енергията не принадлежи на електрона, а на квантуваната орбита, на която се намира той.

Айнщайн предположил, че квантуването може да се приложи и към разпространяването и предаването на енергията. Той изказва идеята, че електромагнитното лъчение представлява поток от частици (фотони), всяка от които е носител на един квант енергия и се разпространява със скоростта на светлината в пространството. Фотонът е единствената неутрална частица, която няма съответстваща и античастица.

Орбитите, които се намират по-близо до ядрото са по-ниско енергетични. Ако електронът премине на съседна такава орбита от по-отдалечена, то тогава ще се излъчи един фотон, който ще бъде носител на един квант енергия. Обратното ще се случи, ако електрон премине от ниско енергетична орбита на съседна по-отдалечена от ядрото орбита. Електроните не „приемат“ и не „излъчват“ енергия докато се намират на дадена квантувана орбита. След поредица от изчисления, Бор разбрал, че по-близките до ядрото орбити са по-нискоенергетични, следователно определят и по-стабилни състояния за атома.

Kвантови числа

За да опише състоянието на електрона на тези орбити, Бор въвежда главното квантово число , което най-често се бележи с латинско n. То може да приема само цели положителни стойности  n=1,2,3…,  като всяка стойност определя енергийно, ниво на което може да се намери електрона и това ниво се нарича  електронен слой  Казано по друг начин, всяка стойност на n, описва една от квантуваните орбити (виж на картинката горе). Слоевете се отбелязват с латинските букви K, L, M, N, O, P, и Q (посока навън от ядрото). Познатите ни днес атоми имат максимум 7 слоя.

Най-стабилното състояние на атома е при n=1, което се нарича основно състояние на атома. И както вече споменахме получаването на различни линии в емисионните спектри на атомите е в резултат от прехода на електрон от енергетично по-богата стационарна орбита на друга с по-ниска енергия.

Самите спектрални линии се оказало, че имат финна структура, т.е. всяка от тях е изградена от няколко близко разположени спектрални линии. За да се обясни този факт е създаден векторният модел на атома и се въвежда  орбиталното квантово число l , което характеризира енергията и формата на атомните орбити. Стойностите на l са пряко свързани със стойностите на n: <b>l= 0,1,2…(n-1)</b> и всяка една отговаря на един  електронен подслой  влизащ в структурата на съответния слой. Подслоевете се отбелязват с латинските букви s, p, d и f (посока навън от ядрото). Познатите ни днес атоми имат запълнени максимум 4 подслоя от който и да е било слой. За да укажем на кой слой принадлежи подслоя, пред латинската буква се слага номера на слоя, който е равен на стойността на главното квантово число.

Под въздействие на външно магнитно поле атомните спектри се разцепват, което предполага взаимодействие на електрона с магнитното поле. За да се обяснят математически тези свойства на електрона, е въведено магнитното квантово число , което е свързано с пространствената насоченост на атомните орбитали по трите оси на Декартовата координатна система. Неговите стойности са зависими от стойностите на орбиталното квантово число и могат да бъдат в интервала:  m=(-l, … -2, -1, 0 , +1, +2, …+l) . Трите квантови числа n, l и m описват напълно атомната орбитала – нейната енергия, размери, форма и пространствена насоченост.

Освен, че електронът се движи по орбити, се оказва че той притежава и момент на количество на движението (спин), в резултат от въртенето около собствената му ос. Големината на спина на електрона се описва от спиновото квантово число s, което има стойност s=-1/2, а проекцията на спиновия момент върху дадена ос се описва с помощта на  магнитното спиново квантово число , което може да има стойности -1/2 и +1/2 (по-нататък ще го наричаме само спиново квантово число, защото ще използваме само него от двете). Състоянието на електрона в атома може да бъде напълно определено, ако се знаят стойностите на 4-те квантови числа – n, l, m и s, всяко от които е постулирано.

Съвременните квантово-механични представи за атома

Сега ще направим един голям скок, направо към съвременните квантово-механични представи за атома. Представете си една черешка без дръжка и това ще бъде водoродният атом. Едно такова сравнение е доста неточно, но за човек, който никога не се интересувал от строежа на атома, то ще е идеален фундамент за по-нататъшно развитие. Нека костилката на черешката бъде ядрото, а месестата част на плода мястото където се намира електронът на водородния атом. Видно е, че вече не говорим за квантувани орбити, а за някакво тримерно пространство около цялото ядро. Да продължим с обясненията, първо трябва да кажем туй-онуй за електрона и неговата природа.

Електрон

Вече знаем, че атомът е делим – има ядро и обвивка от електрони. Оказва се, че и ядрото е делимо и се състои от още по-малки частици и т.н. В крайна сметка достигаме до онези фундаментални (основни) частици, които изграждат атомната структура и не могат да бъдат разпаднати на по-малки от тях. Това са така наречените елементарни частици, за които вече споменахме в началото. Всъщност електронът е една от тях. Той носи електричен заряд равен на -1. Както всички частици, има си собствена (пренебрежимо малка) маса, но поведението му е подобно на вълна. Вълните са трептения, които се повтарят симетрично, отново и отново. Най-високата точка на вълната се нарича гребен, а най-ниската бразда. Макар и да звучи абсурдно фактите сочат, че електронът е едновременно и частица и вълна, т.е. той има двойствена природа  (дуализъм). До тази идея пръв достигнал Луи дьо Бройл. Според него всички движещи се микрочастици имат и вълнови свойства. Ето защо, днес се смята, че електронът няма определена траектория, а съществува в  електронен облакоколо ядрото.

http://abritvs.com/?p=139

тагове: квантова теория, теория на Бор