naf-st.ru naf-st.ru naf-st.ru naf-st.ru
 
Поиск по сайту
 

Внутри атома


репетитор,гдз,преподователь,учитель
Принцип запрета Паули или еще раз про спин К содержанию Образование молекул
Page copy protected against web site content infringement by Copyscape

Представим атом гелия. В центре - ядро с положительным зарядом, равным 2qэ, а вокруг ядра - электромагнитное поле, образованное двумя электронами ну и, естественно, электрическим полем самого ядра. Включите фантазию, представьте, что вы уменьшились до точечных размеров и залезли в этот самый атом гелия, в место, отстоящее от центра ядра на величину радиуса атома гелия. В каждый момент времени вы чувствуете какую-то величину напряженности электрического поля и какую-то величину напряженности магнитного поля. И та, и другая напряженность будет направлена каким-то определенным образом. Эти напряженности изменяются со временем также каким-то определенным образом. Но вот где здесь один электрон, а где другой - вы никак не определите и не увидите. Электроны перемешались и образовали общее электромагнитное поле.

Теперь представьте тот же самый атом со стороны. Только в этом атоме нет электронов, есть одно положительно заряженное ядро. Т.е. вы смотрите на положительный ион гелия. Потом появился первый электрон. Откуда? Да просто так, летел где-то рядом и неосторожно приблизился к положительному иону. Как только приблизился, его стало затягивать, и затянуло в этот самый атом. Произошло то, что мы рассматривали ранее. Электрон вывернулся наизнанку и теперь так и существует. Причем, что интересно, в отличие от водорода к ядру гелия может сначала присоединиться любой электрон. А вот почему. Ядро водорода состоит из одного протона со спином . Значит, согласно принципу запрета Паули, с таким ядром может сосуществовать только тот электрон, у которого спин направлен в противоположную сторону. Ну а в ядре гелия два протона и, разумеется, их собственные спины направлены в противоположные стороны согласно все тому же принципу запрета. В этом случае суммарный спин, или, суммарный момент количества движения равен нулю. Ну а раз нулю, значит, его и нет. Раз нет момента количества движения, - какой бы электрон мимо не пролетал, может присоединиться.

Короче говоря, затянуло электрон и образовалась система из ядра и одного электрона. Эта система обладает некоторой энергией, равной той энергии, которой обладали бы отдельно электрон и отдельно ядро минус энергия связи. Энергия связи, кстати, в атоме гелия примерно вдвое больше, чем в атоме водорода. Кроме того, единственный электрон обладает собственным моментом количества движения . Ни величина, ни направление момента количества движения не изменяются.

В общем, притаилась эта самая система и поджидает второй электрон. Теперь подойдет не всякий электрон, а такой, у которого спин направлен в противоположную сторону по сравнению с первым. Так вот, электронов в природе масса и дождалась система нужного электрона, образовался полный атом. Что же получилось?

Электрического поля нет, потому что двойной положительный заряд ядра скомпенсирован отрицательными зарядами двух электронов. Спин, по аналогии с протонами, равен нулю, поскольку спины двух электронов направлены в противоположные стороны. Короче, изнутри смотришь, электронов нет. Снаружи смотришь - ни поля, ни спина нет. А если попробовать присоединить к атому гелия еще один электрон? Ага, хренушки! Какой электрон теперь ни возьми, его спин обязательно совпадет по направлению со спином одного из имеющихся электронов.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что в атоме больше двух электронов находится не может, а мы-то точно знаем, что в атомах бывает и больше ста электронов. Как же такое может быть?

Просто нужно понимать, что больше двух электронов не может быть в одном состоянии, т.е. с одной и той же энергией. Вот, например, атом лития. Ядро атома лития имеет положительный заряд 3qэ. Допустим, есть одно только ядро атома гелия без электронов. Вот первый электрон попался и вывернулся наизнанку. Вот второй электрон с противоположно направленным спином - тоже притянуло к ядру. Образовалась система: ядро и два электрона. Энергия связи еще больше, чем у атома гелия, количества движения у обоих (электронов) одинаковые, спины направлены в разные стороны. Все как положено. Поскольку никак теперь этих электронов не обнаружить, вся система снова вроде бы как ядро. Ядро с положительным зарядом qэ. Такие атомы, как у лития, называются водородоподобные. Но это не водород, нужен третий электрон. Найти электрон - не проблема. Проблема в том, что занять место рядом с теми двумя он уже не может, поскольку действует, а точнее, мешает все тот же принцип запрета Паули. То, что для нас значит "занять место" для электрона - это энергия. Третий электрон в атоме лития будет иметь другую энергию и другой момент количества движения. Другими словами, третий электрон в атоме лития расположен на более высоком энергетическом уровне.

Интересно еще вот что. Один электрон в атоме водорода и два электрона в атоме гелия занимают пространство, примерно соответствующее тому, что называют шаровым слоем. Вот, например, резиновый мячик. Внутри мячика - воздух. По сравнению с резиной воздух внутри - это ничего. Снаружи так же ничего. Есть только резина, из которой сделан мячик. Эта резина и есть шаровый слой. Во всяком случае, большая часть электрона сосредоточена именно в таком слое.

У третьего электрона в атоме лития момент количества движения складывается из двух составляющих: собственного момента электрона и того момента количества движения, который соответствует дополнительной кинетической энергии. Поэтому пространство, занимаемое третьим электроном, имеет более сложную форму, как бы сплюснутую.

Возьмем какой-нибудь атом газа, например, неон. Заряд его ядра равен 10qэ, вокруг ядра имеется как два слоя. Один - шаровый, соответствующий самой большой энергии связи, т.е. самой меньшей полной энергии системы, содержит два электрона. На следующем, более высоком энергетическом уровне, точнее, на нескольких близко расположенных друг к другу уровнях находится еще восемь электронов. Больше восьми уже никак не впихнуть. Все тот же принцип запрета Паули.

Если залезть внутрь атома неона, то кроме электромагнитного поля мы там ничего не обнаружим. Никаких электронов. Если со стороны на атом неона посмотреть - даже электромагнитного поля не обнаружить. Но ведь в атоме неона десять электронов. Узнать об этом можно двумя способами.

Первый способ - это попробовать впихнуть в атом неона еще один электрон. Если поля вокруг атома нет, то почему бы и нет? Так ведь нет, все энергетические уровни уже заняты, не пускают хозяева.

Второй способ заключается в том, чтобы как-нибудь подействовать на атом неона. Например, запулить туда фотон или другой электрон с большой энергией. При этом можно выбить из атома неона один или несколько электронов. Если шмальнуть фотоном, или как говорят научно, выбивать фотоном, то атом неона, или любого другого вещества просто потеряет эти электроны и превратится в положительно заряженный ион. Если же шмалять (обстреливать) атом электронами, то какой-нибудь электрон, которым обстреливают атом, может выбить электрон-хозяина и занять его место, т.е. его энергетический уровень. В любом случае из атома будут вылетать целые электроны. Поэтому мы и узнаем, что именно электроны расположены вокруг ядра.

Все вышеописанное называется основным состоянием атома. Если ничего не мешает, атом может находиться в основном состоянии сколь угодно долго. Но если, к примеру, обстреливать атом фотонами, или, что то же самое, освещать его, с атомом могут произойти интересные вещи. Атом может просто поглощать фотоны, т.е. прибавлять электромагнитное поле фотонов к электромагнитному полю своих электронов. Особенно это дело любят окрашенные в черный цвет предметы. Сами можете такой опыт поставить. Если, например, в темноте направить луч фонарика на окрашенную в белый цвет стену, то пятно на стене будет ярким и вокруг как бы становится светлее. А вот если стена черная, ну или темная, то и пятна на ней практически незаметно и вокруг светлее не становится. Сие означает, что все фотоны, летящие в луче, поглощаются материалом стенки и там же и остаются. Ну а поскольку любое вещество, в том числе и то, из чего сделана стенка, состоит из атомов, значит, фотоны поглощаются атомами.

Но ведь фотон несет в себе определенное количество энергии и определенное количество движения. Ни энергия, ни движение никуда деться не могут, т.к. подчиняются закону сохранения. Следовательно, может произойти только следующее. Один или несколько электронов в атоме приобретают большую энергию и большее количество движения и занимают в атоме более высокое энергетическое состояние. Энергия всего атома увеличивается.

Проще говоря, влетает в атом фотон, а от туда не вылетает. Раз он оттуда не вылетел, значит, энергия и количество движения атома увеличилось в точности на то, какое количество энергии и какое количество движения принес с собой фотон. Можно предположить и другое. Может в атоме кроме ядра и электрона есть еще и фотон? Почему электронам там можно быть, протонам можно, нейтронам можно, а фотонам нельзя? Все это, конечно интересно...

Опыты говорят о том, что атом может поглотить далеко не всякий фотон. Если энергия фотона меньше некоторого определенного значения, атом ни за что фотон не поглотит ни при каких условиях. Фотон просто отскочит от атома, как мячик от стенки. Такое происходит, например, когда луч света отражается от зеркала. А вот если энергия фотона больше этого самого определенного значения, то из атома будет выбит электрон. Подобное явление впервые открыл русский физик Столетов и назвал его фотоэффектом.

Пусть энергия электрона в основном состоянии равна w1, а энергия электрона в одном из возможных других (возбужденных) энергетических состояниях равна w2. Разность этих величин равна Δw = w1 - w2. Только в том случае, если энергия фотона равна именно Δw, происходит поглощение. Следовательно, вся энергия фотона и его момент количества движения затрачивается на то, чтобы перевести электрон в другое энергетическое состояние. Поэтому говорится, что фотон исчезает, а его энергия затрачивается на возбуждение электрона.

Поскольку природа по своей сути ленива, долго электрон в возбужденном состоянии находиться не сможет. Он обязательно вернется на место, но как только вернется, его энергия станет меньше, а избыток энергии снова превратится в фотон, который вылетит из атома.

Page copy protected against web site content infringement by Copyscape
Принцип запрета Паули или еще раз про спин К содержанию Образование молекул
Новости:




 

copyright © 2003-2017 naf-st.ru, info@naf-st.ru
При полном, либо частичном цитировании материалов сайта naf-st.ru ссылка (для интернет изданий гиперссылка) обязательна!!! Будьте взаимовежливы!

Хостинг «Джино»
Карта сайта
Поиск по сайту
Помощь
Новости
Обратная связь
Карта сайта
Поиск по сайту
Помощь
Новости
Обратная связь