Квантово-механическая модель атома

Предпосылки возникновения модели

Развитие классической атомной теории показало её ограниченность. Планетарная модель атома Резерфорда, несмотря на успех в объяснении экспериментов по рассеянию α-частиц, не могла удовлетворительно описать устойчивость атома. Согласно законам электродинамики, электрон, вращающийся вокруг ядра, должен непрерывно излучать энергию и терять её, что неизбежно приводило бы к падению электрона на ядро. Для объяснения устойчивости атомов потребовались новые представления, основанные на законах квантовой механики.

Основные положения квантово-механической модели

Квантово-механическая модель атома базируется на волновой теории материи, предложенной Луи де Бройлем, и уравнении Шрёдингера, описывающем поведение микрочастиц.

  1. Дуализм электрона. Электрон рассматривается не как материальная частица, движущаяся по определённой траектории, а как объект, обладающий одновременно корпускулярными и волновыми свойствами.
  2. Вероятностный характер движения. Точное положение электрона в атоме невозможно определить. Можно лишь вычислить вероятность его нахождения в определённой области пространства.
  3. Атомные орбитали. Решения уравнения Шрёдингера для электрона в атоме водорода приводят к появлению волновых функций (ψ), квадраты которых (|ψ|²) определяют распределение плотности вероятности нахождения электрона. Эти распределения называются орбиталями.
  4. Квантовые числа. Каждая орбиталь описывается набором квантовых чисел, характеризующих энергию, форму и ориентацию электронного облака, а также собственный момент вращения электрона — спин.

Квантовые числа

Квантово-механическая модель атома вводит систему квантовых чисел, необходимых для описания состояния электрона:

  • Главное квантовое число (n): определяет энергетический уровень, на котором находится электрон, а также среднее расстояние от ядра. Принимает целые положительные значения: 1, 2, 3…

  • Орбитальное квантовое число (l): характеризует форму орбитали. Может принимать значения от 0 до (n – 1). Для разных значений l приняты буквенные обозначения:

    • l = 0 → s-орбиталь (сферическая форма),
    • l = 1 → p-орбиталь (гантелеобразная форма),
    • l = 2 → d-орбиталь (сложные четырёхлепестковые формы),
    • l = 3 → f-орбиталь (ещё более сложные формы).

  • Магнитное квантовое число (m): характеризует ориентацию орбитали в пространстве и принимает значения от –l до +l.

  • Спиновое квантовое число (ms): описывает собственное вращение электрона и может иметь два значения: +½ или –½.

Электронные облака и их формы

Электронные облака представляют собой пространственные области, где вероятность нахождения электрона максимальна. Каждому значению квантовых чисел соответствует уникальная форма и ориентация электронного облака. Таким образом, орбитали служат «каркасом» для расположения электронов в атоме.

  • s-орбитали имеют сферическую симметрию.
  • p-орбитали состоят из двух лопастей, ориентированных вдоль осей координат.
  • d- и f-орбитали обладают более сложной геометрией, что влияет на разнообразие химических свойств элементов.

Принципы заполнения электронных орбиталей

Распределение электронов в атоме подчиняется строгим правилам:

  1. Принцип наименьшей энергии (правило Клечковского). Электроны сначала занимают орбитали с минимальной энергией, затем переходят к более высоким уровням.
  2. Принцип Паули. В атоме не может существовать двух электронов с одинаковыми значениями всех четырёх квантовых чисел. Это означает, что на одной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами.
  3. Правило Хунда. Электроны занимают орбитали одинаковой энергии (дегеративные орбитали) таким образом, чтобы число неспаренных электронов было максимальным.

Значение квантово-механической модели атома

Квантово-механическая модель объясняет устойчивость атомов и причины дискретности их спектров. Именно эта модель позволяет:

  • понять периодичность свойств элементов в таблице Менделеева;
  • объяснить образование химических связей через перекрывание орбиталей;
  • предсказывать магнитные и спектральные характеристики веществ;
  • исследовать структуру сложных многоэлектронных систем.

Развитие квантово-механической модели атома стало фундаментом современной химии и физики, позволив связать микроскопические законы движения частиц с макроскопическими свойствами веществ.

Оглавление