Kwantowa teoria budowy

powłok elektronowych

dr inż. Katarzyna Kozłowska

Odpowiedź na pytanie

W jaki sposób połączone są między sobą elementarne składniki

atomu (protony, neutrony i elektrony) oraz dlaczego elektrony

są rozmieszczone w takich ilościach na

poszczególnych powłokach elektronowych?

Kwantowa teoria atomu wodoru

 1911 roku Rutherford – model budowy atomu
 Masywny ładunek dodatni ograniczony do mikroskopijnego

obszaru w środku - elektrony krążą wokół tego ładunku w
odległej chmurze a ilość elektronów jest równa ilości
ładunków dodatnich

Rutherford założy, że:
o elektron stoi nieruchomo,
o elektron krąży wokół jądra - jak Ziemia wokół Słońca

Co z tego wynika

Założenie 1

-

elektron stoi nieruchomo

- elektron spadłby na jądro

Założenie 2

- elektron krąży wokół jądra

:

 zgodnie z teorią Maxwella elektron krążący wokół ładunku

dodatniego, tworząc w ten sposób naładowany układ słoneczny,

powinien promieniować światło o częstości równej jego

częstości obrotów wokół jądra

 Wypromieniowując to światło elektron traciłby energię

 Tracąc energię poruszając się po spirali bliżej dodatniego

ładunku promieniując więcej i więcej światła, aż w końcu

osiągnąłby dodatnie centrum

 Czas, jaki zabiera elektronowi spadnięcie po spirali z typowej

orbity na jądro jest bardzo krótki (rzędu jednej miliardowej

sekundy)

 Promieniowanie, które byłoby emitowane przy takim spadaniu

byłoby ciągłe, przy czym częstość wzrastałaby przy maleniu

promienia

Wniosek

Widmo promieniowania byłoby ciągłym pasmem barw w
przeciwieństwie do obserwowanych dyskretnych linii -
charakteryzujących indywidualne atomy – przykład - linie
widma wodoru atomowego

Założenia teorii Bohra

o Ze wszystkich możliwych klasycznych orbit kołowych tylko

niektóre są dozwolone

o Kiedy elektron znajduje się na jednej z dozwolonych orbit,

nie promieniuje energii, w przeciwieństwie do teorii
Maxwella

o Elektron promieniuje energię podczas przechodzenia z

jednej orbity na drugą

Hipoteza Planka

Światło jest emitowane porcjami a ilość energii w każdej porcji

związana jest z częstością  wzorem:

E = h   

 

h - stała Plancka

Emisja światła

• Tylko pewne z możliwych orbit mogą być dozwolone

• Światło o określonej częstotliwości nie jest emitowane ani

absorbowane przez materię w dowolnie małych ilościach,
lecz tylko w postaci kwantów energii h * .

gdzie: h - stała Plancka,  - częstotliwość

Kiedy elektron promieniuje energię
elektromagnetyczną?

o Tylko wtedy, gdy przechodzi z jednej dozwolonej orbity na

drugą

o Ilość wypromieniowanej energii jest opisana zależnością:

E' - E'' = h   

 

o Energia wypromieniowanego światła jest równa różnicy

energii dwóch poziomów między którymi przeskoczył

elektron

Modele atomów wodoru -
porównania

Model atomu Bohra:

 Poprawnie tłumaczył obserwacje doświadczalne jedynie dla atomu

wodoru

 Był niewystarczający dla pierwiastków o bardziej złożonej budowie

 Elektron krąży wokół jądra po torze zamkniętym, jednak nie

dowolnym, lecz ściśle określonym energetycznie, nazywanym orbitą

 w tym stanie elektron nie pobiera ani nie oddaje energii

 elektron może zmienić orbitę, gdy pobierze lub odda energię

 energia może być pobierana lub oddawana wyłącznie w postaci

porcji nazywanych kwantami

Modele atomów wodoru -
porównania

Model atomu Schrodingera

 W świecie atomów nie obowiązują prawa mechaniki klasycznej

 Wszystkie obiekty mają naturę dualistyczną, tj. zachowują się

jak cząstka materialna czyli korpuskuła - mająca masę, i jak fala

elektromagnetyczna

 stan elektronu w atomie opisuje funkcja falowa - nazwana

orbitalem

 kwadrat tej funkcji daje prawdopodobieństwo znalezienia

elektronu w danym obszarze wokół jądra

 energia elektronów jest kwantowana a geometryczne kształty

orbitali wskazują na przestrzenny rozkład prawdopodobieństwa

znalezienia elektronu opisanego danym orbitalem

 znane orbitale to orbital s, p, d i f

 każdy stan kwantowy elektronu jest opisany za pomocą czterech

liczb kwantowych, tj. główna liczba kwantowa - n, poboczna

liczba kwantowa -l, magnetyczna liczba kwantowa - m i spinowa

liczba kwantowa - s

Model budowy atomu wodoru
według Bohra i Schrodingera