Квантовомеханическая теория атома

Квантовомеханическая теория атома
Ограниченность боровской модели атома коренилась в
ограниченности классических представлений о движении
микрочастиц. Стало ясно, что для дальнейшего развития
теории атома необходимо критически пересмотреть
основные представления о движении и взаимодействии
микрочастиц.
Неудовлетворительность модели, основанной на
классической механике с добавлением условий
квантования, отчётливо понимал и сам Бор, взгляды
которого оказали большое влияние на дальнейшее
развитие А. ф.
Началом нового этапа развития А. ф. послужила идея,
высказанная французским физиком Л. де Бройлем (1924)
о двойственной природе движения микрообъектов,
в частности электрона.
Эта идея стала исходным пунктом
квантовой механики,
созданной в 1925-26 трудами
В. Гейзенберга и М. Борна (Германия), Э. Шрёдингера (Австрия) и
П. Дирака (Англия),
и разработанной на её основе современной
квантовомеханической теории атома.
Согласно квантовой механике, электрон не движется по
траектории (орбите), подобно твёрдому шарику;
движению электрона присущи также и некоторые особенности,
характерные для распространения волн.
С одной стороны, электрон всегда действует (например, при
столкновениях) как единое целое, как частица, обладающая
неделимым зарядом и массой; в то же время электроны с
определённой энергией и импульсом распространяются подобно
плоской волне, обладающей определённой частотой (и
определённой длиной волны).
Энергия электрона Е как частицы связана с
частотой v электронной волны соотношением: E=hv,
а его импульс р - с длиной волны соотношением: р = h/l.
Устойчивые движения электрона в атоме,
как показал Шрёдингер (1926),
в некотором отношении аналогичны стоячим волнам,
амплитуды которых в разных точках различны.
При этом в атоме, как в колебательной системе,
возможны лишь некоторые "избранные" движения с
определёнными значениями энергии, момента
количества движения и проекции момента электрона в
атоме
Каждое стационарное состояние атома описывается при
помощи некоторой волновой функции, являющейся
решением волнового уравнения особого типа уравнения Шрёдингера;
волновой функции соответствует "электронное облако",
характеризующее (в среднем) распределение плотности
электронного заряда в атоме
На основе квантовой механики удалось путём решения
уравнения Шрёдингера правильно рассчитать энергии
электронов в сложных атомах. Приближённые методы таких
расчётов были разработаны в 1928 Д. Хартри (Англия) и
в 1930 В. А. Фоком (СССР).
Исследования атомных спектров полностью подтвердили
квантовомеханическую теорию атома.
выяснилось, что состояние электрона в атоме существенно
зависит от его спина - собственного механического момента
количества движения.
Было дано объяснение действия внешних электрических и
магнитных полей на атом
Важный общий принцип, связанный со спином электрона,
был открыт швейцарским физиком В. Паули (1925) , согласно
этому принципу,
в каждом электронном состоянии в атоме
может находиться только один электрон;
если данное состояние уже занято каким-либо электроном,
то последующий электрон, входя в состав атома, вынужден
занимать другое состояние
На основе принципа Паули были окончательно
установлены числа заполнения электронных оболочек
в сложных атомах, определяющие периодичность свойств
элементов.
Исходя из квантовой механики, немецкие физики
В. Гейтлер и Ф. Лондон (1927)
дали теорию т. н. гомеополярной химической связи двух
одинаковых атомов (например, атомов водорода в
молекуле H2), не объяснимой в рамках боровской модели
атома
Основными разделами современной А. ф. являются
теория атома, атомная (оптическая) спектроскопия,
рентгеновская спектроскопия, радиоспектроскопия
(она исследует также и вращательные уровни молекул),
физика атомных и ионных столкновений.
Различные разделы спектроскопии охватывают разные
диапазоны частот излучения и, соответственно, разные
диапазоны энергий квантов
Рентгеновская спектроскопия измерением
испускания и поглощения рентгеновских лучей
позволяет определить главным образом
энергии связи внутренних электронов
с ядром атома (энергии ионизации),
распределение электрического поля внутри атома.
Оптическая спектроскопия
изучает совокупности спектральных линий,
испускаемых атомами,
определяет характеристики уровней энергии атома,
интенсивности спектральных линий и
связанные с ними времена жизни атома
в возбуждённых состояниях,
тонкую структуру уровней энергии,
их смещение и расщепление в электрическом
и магнитном полях
Радиоспектроскопия
детально исследует ширину и форму
спектральных линий, их сверхтонкую структуру,
сдвиг и расщепление в магнитном поле,
вообще внутриатомные процессы,
вызываемые очень слабыми взаимодействиями и
влияниями среды.
Анализ результатов столкновений быстрых электронов и
ионов с атомами даёт возможность получить сведения о
распределении плотности электронного заряда
("электронного облака") внутри атома,
об энергиях возбуждения атома,
энергиях ионизации
Знание распределения плотности
электронного заряда в атоме и
её изменений
при внешних взаимодействиях
позволяет предсказать тип химических связей,
которые может образовывать атом,
поведение иона в кристаллической решётке.
Сведения о структуре и характеристиках уровней энергии
атомов и ионов чрезвычайно важны для устройств
квантовой электроники.
Поведение атомов и ионов при столкновениях - их ионизация,
возбуждение, перезарядка - существенно
для физики плазмы.
Знание детальной структуры уровней энергии атомов,
особенно многократно ионизованных,
важно для астрофизики.