2. Движение электронов в атоме


Чтобы посмотреть презентацию с картинками, оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов презентации:

Физика конденсированного состояния МОСКВА 2012 НИУ «МЭИ» Презентации к лекционному курсу Электронный учебно-методический комплекс Движение электронов в атоме Все окружающие нас тела состоят из элементарных частиц (атомов) или из групп определенным образом объединенных атомов (молекул). Любая молекула состоит из совокупности электронов и атомных ядер, движение и взаимное расположение которых определяют значение внутренней энергии молекулы 30.08.1871, Спринг Грув  - 19.10.1937, Кембридж) – британский физик новозеландского происхождения.Известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года. Эрне́ст Ре́зерфорд (англ. Ernest Rutherford) 1911 г. Планетарная модель атома Проблема: электрон движется с ускорением следовательно, излучает, следовательно, теряет энергию следовательно, падает на ядро Спектр излучения атома водорода Каждый атом или молекула может находиться в том или другом энергетическом состоянии. Иначе говоря, их внутренняя энергия квантована. Целью теории Бора было объяснить дискретные уровни энергии в атоме, иными словами, произвести квантование движения в атоме.Для описания электронной системы, будь то атом, молекула или кристалл необходимо знать все её возможные квантовые состояния, характеризуемые энергетическим спектром системы (кристалла, атома). Если электронная система находится в равновесии и не подвергается никаким внешним воздействием, то находящиеся в ней электроны должны занимать состояния с минимальной энергией. Взаимодействие частиц в квантовой механике характеризуют потенциальной энергией, формула которой заимствуется из классической механики. Например, потенциальная энергия заряженной частицы (например, электрона с зарядом минус q) в электрическом поле другой заряженной частицы (например, ядра атома водорода c зарядом плюс q) выражается формулой Постулаты Бора Нильс Хе́нрик Дави́д Бор (дат. Niels Henrik David Bohr; 7.10 1885, Копенгаген ‒ 18.11 1962, Копенгаген) ‒ датский физик-теоретик. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Был членом более чем 20 академий наук мира, в том числе  иностранным почётным членом АН СССР Постулаты Бора 1. Электрон в атоме может двигаться только по определенным стационарным орбитам, каждой из которых можно приписать определенный номер n=1, 2, 3... Такое движение соответствует стационарному состоянию атома с неизменной полной энергией . Это означает, что движущийся по стационарной замкнутой орбите электрон, вопреки законам классической электродинамики, не излучает энергии. Стационарное состояние характеризуется определенной энергией и распределением электронной плотности. Совокупность энергий стационарных состояний образует энергетический спектр электрона в атоме Постулаты Бора Постулаты Бора 2. Разрешенными стационарными орбитами являются только те, для которых угловой момент импульса L электрона равен целому кратному величины постоянной Планка . Поэтому для n-ой стационарной орбиты выполняется условие квантования = 1,054·10-34 Дж с – приведенная постоянная Планка или постоянная Дирака. Постулаты Бора 3. Излучение или поглощение кванта излучения происходит при переходе атома из одного стационарного состояния в другое. При этом частота излучения атома определяется разностью энергий атома в двух стационарных состояниях, так что Постулаты Бора Распределение электронной плотности показывает, в каких областях вокруг атома электрон пребывает преимущественно, то есть с вероятностью, близкой к 1. Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое. Квантование энергии атома Запишем условие вращения электрона массы по круговой орбите радиуса r под действием кулоновской силы со стороны ядра и формулу Бора квантования момента импульса электрона: Квантование энергии атома Решая эту систему уравнений, находим для радиусов стационарных орбит электрона в атоме водорода следующее выражение Квантование энергии атома Вводя в качестве универсальной константы теории боровский радиус =0,529∙10-10 мкак радиус первой стационарной орбиты электрона в атоме водорода, запишем формулу в виде Квантование энергии атома Для скорости электрона на n-ой стационарной орбите получаем значение Полная энергия электрона, движущегося по n -ой стационарной орбите, складывается из его кинетической энергии Квантование энергии атома и потенциальной энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром эВ Квантование энергии атома Полная энергия электрона в атоме оказалась отрицательной, так как отрицательна потенциальная электростатическая энергия взаимодействия электрона с ядром. С ростом номера орбиты полная энергия электрона в атоме возрастает. При этом номер орбиты является квантовым числом в такой теории Квантование энергии атома Для описания атома используют квантовые числа – энергетические параметры, определяющие состояние электрона и тип атомной орбитали, на которой он находится Главное квантовое число n может принимать любые целые положительные значения от 1 до ∞. Оно определяет величину энергии (1) Здесь Z – порядковый номер элемента в таблице Д.И. Менделеева. эВ С увеличением n расстояние между энергетическими уровнями и энергия связи электронов с ядрами уменьшается, значение энергетического зазора между уровнями падает.Согласно (1), энергия электрона, находящегося в связанном состоянии (например, энергия электрона атома любого вещества), может принимать лишь некоторые дискретные значения, а все остальные значения невозможны или, как принято говорить, запрещены. Спектр излучения атома водорода Орбитальное квантовое число l определяет форму орбитали. Значение орбитального числа l=(n-1)=0,1,2,3...(n-1). Также вводят буквенные обозначения: 0-s, 1-p, 2-d, 3-f. Число орбиталей на энергетических подуровнях Орбитали с l = 0 называются s-орбиталями,  l = 1 – р-орбиталями (3 типа, отличающихся магнитным квантовым числом m),l = 2 – d-орбиталями (5 типов), l = 3 – f-орбиталями (7 типов) Каждому уровню энергии соответствует стоячая электронная волна, электрон колеблется вокруг и возле атомов и образует как бы облако электронной плотности. Плотность этого облака показывает вероятность обнаружения электрона в той или иной области пространства или долю времени, которую электрон проводит в той или иной области. Условное изображение облаков электронной плотности для разных состояний электрона в атоме водорода Магнитное квантовое число характеризует величину магнитного поля, создаваемого при вращении электрона вокруг ядра. Поэтому значение магнитного квантового числа m связано со значением орбитального квантового числа и изменяется от –l до + l, а всего число может принимать (2l+1) значение, включая нулевое. Например, для l = 2: m = -2, -1, 0, 1, 2. Магнитное квантовое число характеризует величину магнитного поля, создаваемого при вращении электрона вокруг ядра. Поэтому значение магнитного квантового числа m связано со значением орбитального квантового числа и изменяется от –l до + l, а всего число может принимать (2l+1) значение, включая нулевое. Например, для l = 2: m = -2, -1, 0, 1, 2. Спиновое квантовое число s Электрон помимо координат и импульса характеризуется вектором спина, спин, подобно заряду, – внутренняя характеристика электрона, в классической теории аналогичного понятия быть не может. Спиновое число s =+Ѕ. Внутренний момент импульса, связанный с этим вращением, назвали спином (от англ. spin – вращение), а момент, связанный с вращением вокруг ядра – орбитальным моментом. В том же 1925 г. голландец Ральф Кронинг и независимо Джордж Уленбек и Самюэль Гаудсмит предположили, что электрон вращается вокруг собственной оси. Слева направо: Джордж Уленбек, Хендрик Крамерс и Сэмюэл Гаудсмит Спин – это одно из проявлений принципа тождественности частиц, который применительно к электронам звучит так: все электроны Вселенной неразличимы. Электроны, как и фотоны, можно изучать лишь в совокупности. Заполнение электронных состояний в атоме кремния

Приложенные файлы

  • ppt 2410760
    Размер файла: 621 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий