Сегодня поведаем о том, что такое энергетический уровень атома, когда человек сталкивается с этим понятием, и где оно применяется.
Школьная физика
Люди впервые встречаются с естественными науками в школе. И если на седьмом году обучения дети еще находят новые знания по биологии и химии интересными, то в старших классах их начинают бояться. Когда приходит черед атомной физики, уроки по этой дисциплине уже внушают только отвращение к непонятным задачам. Однако стоит помнить, что у всех открытий, которые сейчас превратились в скучные школьные предметы, нетривиальная история и целый арсенал полезных применений. Узнавать, как устроен мир - это как открывать шкатулку с чем-то интересным внутри: всегда хочется найти потайное отделение и обнаружить там еще одно сокровище. Сегодня мы расскажем об одном из базовых физики, строении вещества.
Неделимый, составной, квантовый
С древнегреческого языка слово «атом» переводится как «неделимый, наименьший». Такое представление - следствие истории науки. Некоторые древние греки и индийцы верили, что все на свете состоит из мельчайших частиц.
В современной истории были произведены намного раньше физических исследований. Ученые семнадцатого и восемнадцатого веков работали в первую очередь для увеличения военной мощи страны, короля или герцога. А чтобы создать взрывчатку и порох, надо было понять, из чего они состоят. В итоге исследователи выяснили: некоторые элементы нельзя разделить дальше определенного уровня. Значит, существуют наименьшие носители химических свойств.
Но они ошибались. Атом оказался составной частицей, а его способность изменяться носит квантовый характер. Об этом говорят и переходы энергетических уровней атома.
Положительное и отрицательное
В конце девятнадцатого века ученые вплотную подошли к изучению мельчайших частиц вещества. Например, было понятно: атом содержит как положительно, так и отрицательно заряженные составляющие. Но была неизвестна: расположение, взаимодействие, соотношение веса его элементов оставались загадкой.
Резерфорд поставил опыт по рассеянию альфа-частиц тонкой Он выяснил, что в центре атомов находятся тяжелые положительные элементы, а по краям расположены очень легкие отрицательные. Значит, носителями разных зарядов являются не похожие друг на друга частицы. Это объясняло заряд атомов: к ним можно было добавить элемент или удалить его. Равновесие, которое поддерживало нейтральность всей системы, нарушалось, и атом приобретал заряд.
Электроны, протоны, нейтроны
Позже выяснилось: легкие отрицательные частицы - это электроны, а тяжелое положительное ядро состоит из двух видов нуклонов (протонов и нейтронов). Протоны отличались от нейтронов только тем, что первые были положительно заряженными и тяжелыми, а вторые имели только массу. Изменить состав и заряд ядра сложно: для этого требуются неимоверные энергии. А вот электроном атом делится гораздо легче. Есть более электроотрицательные атомы, которые охотнее «отбирают» электрон, и менее электроотрицательные, которые скорее «отдадут» его. Так формируется заряд атома: если электронов избыток, то он отрицательный, а если недостаток - то положительный.
Длинная жизнь вселенной
Но такое строение атома озадачивало ученых. Согласно господствовавшей в те времена классической физике, электрон, который все время двигался вокруг ядра, должен был непрерывно излучать электромагнитные волны. Так как этот процесс означает потерю энергии, то все отрицательные частицы вскоре потеряли бы свою скорость и упали на ядро. Однако вселенная существует уже очень долго, а всемирной катастрофы еще не произошло. Назревал парадокс слишком старой материи.
Постулаты Бора
Объяснить несоответствие смогли постулаты Бора. Тогда это были просто утверждения, скачки в неизвестное, которые не подтверждались расчетами или теорией. Согласно постулатам, существовали в атоме энергетические уровни электронов. Каждая отрицательно заряженная частица могла находиться только на этих уровнях. Переход между орбиталями (так назвали уровни) осуществляется прыжком, при этом выделяется или поглощается квант электромагнитной энергии.
Позже открытие Планком кванта объяснило такое поведение электронов.
Свет и атом
Количество энергии, необходимой для перехода, зависит от расстояния между энергетическими уровнями атома. Чем они дальше друг от друга, тем больше выделяемый или поглощаемый квант.
Как известно, свет - это и есть квант электромагнитного поля. Таким образом, когда электрон в атоме переходит с более высокого на более низкий уровень, он творит свет. При этом действует и обратный закон: когда электромагнитная волна падает на предмет, она возбуждает его электроны, и они переходят на более высокую орбиталь.
Кроме того, энергетические уровни атома индивидуальны для каждого вида химического элемента. Узор расстояний между орбиталями различается для водорода и золота, вольфрама и меди, брома и серы. Поэтому анализ спектров испускания любого объекта (в том числе и звезды) однозначно определяет, какие вещества и в каком количестве в нем присутствуют.
Применяется этот метод невероятно широко. Спектральный анализ используется:
- в криминалистике;
- в контроле качества еды и воды;
- в производстве товаров;
- в создании новых материалов;
- в усовершенствовании технологий;
- в научных экспериментах;
- в исследовании звезд.
Этот перечень лишь примерно показывает, насколько полезным оказалось открытие электронных уровней в атоме. Электронные уровни - самые грубые, самые большие. Существуют более мелкие колебательные, и еще более тонкие вращательные уровни. Но они актуальны только для сложных соединений - молекул и твердых тел.
Надо сказать, что структура ядра до сих пор не исследована до конца. Например, нет ответа на вопрос о том, почему определенному количеству протонов соответствует именно такое число нейтронов. Ученые предполагают, что атомное ядро тоже содержит некий аналог электронных уровней. Однако до сих пор это не доказано.
2. Строение ядер и электронных оболочек атомов
2.6. Энергетические уровни и подуровни
Наиболее важной характеристикой состояния электрона в атоме является энергия электрона, которая согласно законам квантовой механики изменяется не непрерывно, а скачкообразно, т.е. может принимать только вполне определенные значения. Таким образом, можно говорить о наличии в атоме набора энергетических уровней.
Энергетический уровень - совокупность АО с близкими значениями энергии.
Энергетические уровни нумеруют с помощью главного квантового числа n , которое может принимать только целочисленные положительные значения (n = 1, 2, 3, ...). Чем больше значение n , тем выше энергия электрона и данного энергетического уровня. Каждый атом содержит бесконечное число энергетических уровней, часть из которых в основном состоянии атома заселена электронами, а часть - нет (эти энергетические уровни заселяются в возбужденном состоянии атома).
Электронный слой - совокупность электронов, находящихся на данном энергетическом уровне.
Иными словами, электронный слой - это энергетический уровень, содержащий электроны.
Совокупность электронных слоев образует электронную оболочку атома.
В пределах одного и того же электронного слоя электроны могут несколько различаться по энергии, в связи с чем говорят, что энергетические уровни расщепляются на энергетические подуровни (подслои ). Число подуровней, на которые расщепляется данный энергетический уровень, равно номеру главного квантового числа энергетического уровня:
N (подур) = n (уровн) . (2.4)
Подуровни изображаются с помощью цифр и букв: цифра отвечает номеру энергетического уровня (электронного слоя), буква - природе АО, формирующей подуровни (s -, p -, d -, f -), например: 2p -подуровень (2p -АО, 2p -электрон).
Таким образом, первый энергетический уровень (рис. 2.5) состоит из одного подуровня (1s ), второй - из двух (2s и 2p ), третий - из трех (3s , 3p и 3d ), четвертый из четырех (4s , 4p , 4d и 4f ) и т.д. Каждый подуровень содержит определенное число АО:
N (AO) = n 2 . (2.5)
Рис. 2.5. Схема энергетических уровней и подуровней для первых трех электронных слоев
1. АО s -типа имеются на всех энергетических уровнях, p -типа появляются начиная со второго энергетического уровня, d -типа - с третьего, f -типа - с четвертого и т.д.
2. На данном энергетическом уровне может быть одна s -, три p -, пять d -, семь f -орбиталей.
3. Чем больше главное квантовое число, тем больше размеры АО.
Поскольку на одной АО не может находиться более двух электронов, общее (максимальное) число электронов на данном энергетическом уровне в 2 раза больше числа АО и равно:
N (e) = 2n 2 . (2.6)
Таким образом, на данном энергетическом уровне максимально может быть 2 электрона s -типа, 6 электронов р -типа и 10 электронов d -типа. Всего же на первом энергетическом уровне максимальное число электронов равно 2, на втором - 8 (2 s -типа и 6 р -типа), на третьем - 18 (2 s -типа, 6 р -типа и 10 d -типа). Эти выводы удобно обобщить в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Связь между главным квантовым числом, числом э
При изучении мы узнали, чему равно максимальное число электронов на каждой орбитали, на различных энергетических уровнях и подуровнях.
Что еще нужно знать для установления строения электронной оболочки атома любого элемента? Для этого нужно знать порядок заполнения орбиталей электронами.
Порядок заполнения электронами атомных орбиталей определяет принцип наименьшей энергии (принцип минимума энергии):
Основное (устойчивое) состояние атома - это такое состояние, которое характеризуется минимальной энергией. Поэтому электроны заполняют орбитали в порядке увеличения их энергии.
Орбитали одного подуровня имеют одинаковую энергию.
Например, три орбитали данного р-подуровня имеют одинаковую энергию.
Поэтому принцип наименьшей энергии определяет порядок заполнения энергетических подуровней: электроны заполняют энергетические подуровни в порядке увеличения их энергии.
Как показывает рисунок ниже, наименьшую энергию имеет 15-подуровень, который первым заполняется электронами.
Затем последовательно заполняется электронами следующие подуровни: 2s, 2р, 3s, 3р. После 3р-подуровня электроны заполняют 4, подуровень, так как он имеет меньшую энергию, чем 3d-подуровень.
Это объясняется тем, что энергия подуровня определяется суммой главного и побочного квантовых чисел, т. е. суммой (n + l ). Чем меньше эта сумма, тем меньше энергия подуровня. Если суммы n + l одинаковы для разных подуровней, то их энергия тем меньше, чем меньше главное квантовое число n. Изложенные правила были сформулированы в 1951 г. советским ученым В. М. Клечковским (правила Клечковского ).
На подуровнях, которые показаны на рисунке, может разместиться 112 электронов. В атомах известных элементов находится от 1 до 110 электронов. Поэтому другие подуровни в основных состояниях атомов не заполняются электронами.
Наконец, осталось выяснить вопрос, в каком порядке электроны заполняют орбитам одного подуровня. Для этого нужно познакомиться с правилом Гунда :
На одном подуровне электроны располагаются так, чтобы абсолютное значение суммы спиновых квантовых чисел (суммарного спина) было максимальным. Это соответствует устойчивому состоянию атома.
Рассмотрим, например, какое расположение трех электронов на р-подуровне соответствует устойчивому состоянию атома:
Рассчитаем абсолютное значение суммарного спина для каждого состояния:
Строение электронных оболочек (электронные конфигурации) атомов элементов I – IV периодов
Чтобы правильно изобразить электронные конфигурации различных атомов, нужно знать:
1) число электронов в атоме (равно порядковому номеру элемента);
2) максимальное число электронов на уровнях, подуровнях;
3) порядок заполнения подуровней и орбиталей.
Элементы
I
периода:
В таблицах представлены схемы электронного строения, электронные и электронно-графические формулы атомов элементов II, III и IV периодов.
Элементы
II
периода:
Элементы
III
периода:
Элементы
IV
периода:
Данная статья рассказывает, когда были обнаружены энергетические уровни. А также, каким образом их объяснили и как применяется такое свойство вещества, как квантование энергии электрона в атоме.
Молния и мрамор
Строение веществ интересовало человечество с тех пор, как появилась возможность задавать абстрактные вопросы, не беспокоясь о пропитании. Такие грозные явления, как молнии, наводнения, засухи, вызывали ужас. Неспособность объяснить происходящее вокруг порождала представление о гневных богах, которые требовали жертв. И каждый день люди стремились каким-то образом научиться предсказывать погоду, чтобы быть готовыми к очередному катаклизму. О том, что вещества состоят из очень маленьких частиц, догадались еще древние греки. Они заметили, что мраморные ступени, по которым за десятилетия прошло много людей, меняют форму, а значит, каждая ступня забирает с собой какую-то часть камня. От этого открытия до понятия о том, что такое энергетические уровни, очень далеко как по времени, так и по объему знаний. Однако именно то замечание, сделанное более трех тысяч лет назад, привело нашу науку к современному виду.
Резерфорд и Бор
В начале двадцатого века благодаря опытам с электричеством уже было известно, что минимальной частицей, которая несет все химические свойства вещества, является атом. В целом он был электронейтрален, однако в нем находились положительные и отрицательные элементы. Ученым необходимо было выяснить, как они распределяются. Были предложены несколько моделей, одна из которых называлась даже «булочка с изюмом». Знаменитый опыт Резерфорда показал, что в центре атома находится тяжелое положительное ядро, тогда как отрицательный заряд сосредоточен в маленьких легких электронах, которые вращаются на периферии. Энергетические уровни электронов в атоме и процесс их открытия привели физику к прорыву. Согласно уравнениям Максвелла, любой движущийся заряженный объект порождает поле, непрерывно излучая в пространство энергию. Таким образом, возник вопрос: почему в атомах электроны вращаются, но не излучаются и не падают на ядро, теряя энергию? Благодаря постулатам Бора стало ясно, что электроны занимают в атоме определенные энергетические уровни, и, находясь на этих стабильных орбитах, они не теряют энергию. Этот теоретический тезис нуждался в физическом обосновании.
Планк и лазеры
Когда Макс Планк, пытаясь упростить решение некоторых уравнений, ввел понятие кванта, в физике наступила новая эра. Она называется неклассическим периодом и связана с целым рядом существенных открытий, которые кардинально изменили жизнь человечества. Как пенициллин в медицине, квант в физике перевернул весь строй знаний. Примечательно, что новые формулы не отрицали, а, наоборот, подтверждали прежние выводы. При условиях объемных тел, макрорасстояний, обычных скоростей они превращались в привычные и понятные законы. Квантовая физика помогла ответить на многие вопросы, в том числе почему в атоме существуют энергетические уровни электронов. Стало ясно, что переходить с одной орбиты на другую электроны могут рывком. При этом, в зависимости от направления скачка, происходило либо поглощение, либо излучение энергии. Многие свойства веществ строятся именно на этих скачкообразных переходах. Благодаря тому, что в атомах существуют энергетические уровни, работают лазеры, существует спектроскопия, возможно создание новых материалов.
Волна и фотон
Однако само явление квантования энергии не дает четкого объяснения того, почему какие-то уровни стабильны и отчего зависит расстояние от орбиты до ядра в атоме. На помощь пришла нестандартная идея. Началось все с несоответствия результатов разных экспериментов над одними и теми же объектами. В одних случаях они вели себя как частицы, которые обладают массой и, следовательно, инерцией: двигали пластины, вращали лопасти. В других - как набор волн, которые способны пересекаться, гасить или усиливать друг друга (например, фотоны, носители света). В итоге ученым пришлось признать: электроны - это и частицы, и волны. Так называемый корпускулярно-волновой дуализм объяснил энергетические уровни атома. Как волна, электрон, который движется по кругу, накладывается сам на себя. Таким образом, если максимум «головы» совпадает с минимумом «хвоста», волна затухает. На определенных расстояниях до центра максимумы совпадают, и электрон может существовать, как бы непрерывно поддерживая себя, создавая энергетические уровни атома.
Химия и электрон
В процессе изучения химических свойств веществ выяснилось, что уровни у каждого из них - свои. То есть у гелия картина иная, чем у водорода, хотя их атомные номера отличаются всего лишь на единицу. Энергетические уровни атомов химических элементов зависят от их общего количества. То есть выходит, что верхние электроны как бы «давят» на нижние уровни, вынуждая их сдвигаться. У строения энергетической оболочки атома есть свои закономерности, которые определяются четырьмя главными квантовыми числами. Зная их, несложно для каждого вида химического элемента рассчитать энергетические уровни электронов.
Чем ближе к атомному ядру находится электронная оболочка атома, тем сильнее притягиваются ядром электроны и тем больше их энергия связи с ядром. Поэтому расположение электронных оболочек удобно характеризовать энергетическими уровнями и подуровнями и распределением по ним электронов. Число электронных энергетических уровней равно номеру периода, в котором находится данный элемент. Сумма чисел электронов на энергетических уровнях равна порядковому номеру элемента.
Электронная структура атома представлена на рис. 1.9 в виде диаграммы распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням. Диаграмма состоит из электронных ячеек, изображенных квадратами. Каждая ячейка символизирует одну электронную орбиталь, способную принять два электрона с противоположными спинами, обозначаемыми стрелками вверх и вниз.
Рис. 1.9.
Электронная диаграмма атома построена в последовательности повышения номера энергетического уровня. В том же направлении повышается энергия электрона и понижается энергия его связи с ядром. Для наглядности можно представить, что ядро атома находится «внизу» диаграммы. Число электронов в атоме элемента равно числу протонов в ядре, т.е. порядковому номеру элемента в периодической таблице.
Первый энергетический уровень состоит всего из одной орбитали, которую обозначают символом s. Эту орбиталь заполняют электроны водорода и гелия. У водорода один электрон, и водород одновалентен. У гелия два парных электрона с противоположными спинами, гелий имеет нулевую валентность и не образует соединений с другими элементами. Энергии химической реакции недостаточно для того, чтобы возбудить атом гелия и перевести электрон на второй уровень.
Второй энергетический уровень состоит из.«-подуровня и /.(-подуровня, имеющего три орбитали (ячейки). Литий третий электрон посылает на 2«-подуровень. Один непарный электрон обусловливает одновалентность лития. Бериллий вторым электроном заполняет тот же подуровень, поэтому в невозбужденном состоянии у бериллия два парных электрона. Однако незначительной энергии возбуждения оказывается достаточно для того, чтобы перевести один электрон на ^-подуровень, что делает бериллий двухвалентным.
Подобным образом происходит дальнейшее заполнение 2р-под- уровня. Кислород в соединениях двухвалентен. Более высокие валентности кислород не проявляет из-за невозможности распаривания электронов второго уровня и перевода их на третий энергетический уровень.
В отличие от кислорода сера, расположенная под кислородом в той же подгруппе, может проявлять в своих соединениях валентности 2, 4 и 6 благодаря возможности распаривания электронов третьего уровня и перемещения их на ^-подуровень. Заметим, что возможны и другие валентные состояния серы.
Элементы, у которых заполняется s-подуровень, называются «-элементами. Аналогично образуется последовательность р- элементов. Элементы s- и р-подуровней входят в главные подгруппы. Элементы побочных подгрупп - это ^-элементы (неправильное название - переходные элементы).
Удобно подгруппы обозначать символами электронов, благодаря которым образовались входящие в подгруппу элементы, например s" -подгруппа (водород, литий, натрий и др.) или //-подгруппа (кислород, сера и др.).
Если периодическую таблицу построить так, чтобы номера периодов повышались снизу вверх, а в каждую электронную ячейку помещать сначала по одному, а затем по два электрона, получится длиннопериодная периодическая таблица, напоминающая по форме диаграмму распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням.
