Файл: 1031.pdf

УДК 54l.l (075.8)

ББК 24.З.Я7З

Автор проф. Казакова В.М.

Строение вещества. Часть 1. Строение атомов.

(конспект лекций)

Подготовлено на кафедре физическаЯ

химии МИТХТ им. М.В. Ломоносова

Утверждено библиотечным Советом МИТХТ им, м.в. Ломоносова.

© Московская государственная академия ТОНКОЙ химической технологии

(МИТХТ) им. М.В. Ломоносова, 2002 г.

http://mitht.ru/e-library

Оглавлеllие

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАльныЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

http://mitht.ru/e-library

Условные обозначення

водородоподобиого атома

М/,М! Магнитные орбитальное и спинОвое числа многоэлектронного

атома

n Главное квантовое число

•

р Оператор импульса

Порядок связи Заряд атома

Радиальная часть волновой ФУИIЩИИ водородоподобноro

атома

4

http://mitht.ru/e-library

l/,m/ угловая часть волновой ФУНКЦИИ водородоподобного атома

r6,rp)

ЕЗаряд электрона

z Заряд ядра

МДйпольиый МОМСИ1

ГГиромагнитное отношение

ГГамма квант

р. Спиновая плотность

Переводные множители для энергни

5

http://mitht.ru/e-library

Предисловие

Это курс лекций по "Строению вещества", коmорыи-я много лет

читаю для студентов дневного отделенuя. Это не учебник u не

монография, а курс лекций, который в разные годы в зависимости от

количества часов 1Ю этот раздел физической химии, содержал или нет

некоторые параграфы этого конспекта. В последние годы число часов на

физическую хtL«uю резко сокраmuлось u часть материала вЫnШlQ из

курса. Но я сочла полезным оставить его в конспекте, так как он может

быть интересен для некоторых студентов, uнmересующuxся nроблемамu,

связанными с nрuродоu химической связи и строения вещества. Ведь из большего всегда МОЖНО выделить м.еllьшее. Это в основном касается второй части курса "Строения молекул". Первая часть "Строения атомов" содер:нсиm оnmu.мaлыlй,' с моеи точки зрения, маmериа7.

необходимый как для nонuманuя строения самих атомов, так u для познания nрироды химической связи и строения молекул. Кроме тосо,

поскольку uayка развивается u особенно физические методы uсследовuнu.я

и компьютерные технологии, появляются llOвые результаты u открытия,

то наиболее интересные u значимые из них uаходят u в дальнейшем будут

находить оmражеuuе в курсе.

В. Казакова

б

http://mitht.ru/e-library

ГЛАВА]. Экспериментальные и математические

осиовы квантовой механики. Простейшие системы

1.1. Введенне в кваllТОВУЮ MexallllKY

в современных курсах физической химии существенное место занимает раздел «строение вещества». Независимо в какой области химии работает специалист, в настоящее время невозможно обойтись без знаний ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПО8, заложенных в учении о строении вещества. Знач.ительные успехи в этой области были достигнуты лишь после создания квантовой

механики, так как ТОЛЬКО с ее позиций стало ВОЗМОЖНЫМ объяснить поведение микрочастиц и микромира. Атомистические идеи в науке

появились Очень давно, но лишь в конце 19 начале 20 веков были

получены доказательства ТОГО, что атомы не являются неделимыми, а

состоят из Положительно заряжеЮIЫХ ядер и отрицательно заряженных

электронов. Уже в первой тpe1l1 20 столетия было ноказано, что ядра

имеют сложную структуру) и с этого времени началось бурное развитие

ядерной физики. Сейчас мы являемся свидетелями блестящих открытий большого числа элементарных частиц и античастиц. Но и ядром и

частицами, которые мы пока называем элементарными, хотя это, по­

видимому, уже теряет свой смысл, занимаются физики. Химиков, прежде

всего, интересуют молекулы1' их строение и природа связи. Но молекулы

состоят ИЗ атомов, которые при химических превращениях переходят из

одних молекул в другие, сохраняя свою специфику - элемента. Поэтому

раздел «строение>} вещества содержит три основные части:

•строение атомов

•теория химической связи

•строение молекул

Основы учения о строении веЩества по существу СЛОЖИ1lись в первой

трети 20 века, Т.е. сравнительно недавно. В начале 20 века в физике были

сделаны великие открытия, которые позволили проникнугь в тайны

микромира, И потребовали создания новой физической теории, которая смогла бы объяснить закоНы микромира. Такой теорией стала квантовая механика - основа современной физики. Эти открытия часто называют экспериментальными основаМИ квантовой механики. Они показали, что

материя имеет двойственную природу, и микрочастицы MOryт проявлять

себя и как частицы и как вОЛНbl. Это прежде всего такие эксперименты,

как эффект Столетова или фотоэффект, и эффект Комптона - которые

показали, что к потоку света, или рентгеновских излучений нужно относиться не только как к излучению с определенной частотой У, 110 И как

к потоку отдельных «квантов» (или частиц). Лишь через 16 лет Эйнuпейн

7

http://mitht.ru/e-library

дал количественную интерпретацию опыта Столетова (1889 г.) в виде

з.кон, фОТОЭффекта (и еще через 17 лет ПОЛ)"iИЛ з. него Нобелевскую

премию, как признанис важности ЭТОГО открытия для естествознания).

ту2

hv == Р + - .--

2

р - работа вьпшдя. электронов

h - постоянная ПЛанка. Само понятие - «Квант» тоже введено Планком в

самом начале века (задолго до создания квантовой механики). Планк

постулировал Замечательное положение о том, что электромагнитное

излучение - I<взнтоваио, т.е. его энергия hv.

1. Увеличиваем интенсивность света падающего на пластинку ~ растет

число выбитых электронов.

2. Изменяем частоту падающего света - изменяется кинетическая

энерrия вылетающих электронов, а число их остается неизменным.

Эффект KOMnТOHa, состоящий в том, ЧТО при рассеянии рентгеновских

лучей твердыми телами в отраженном луче появляется излучение с частотой V, < vo~ тоже свидетельствует о том, ЧТО поток рентгеновских

лучей ведет себя как совокупность квантов, иначе волна бы затухала, а

ДО ПОСЛЕ ПОСЛЕ

СОУД. СОУД. СОУД.

(ФОТОН) (ФОТОН) (ЭЛЕКТРОН)

ИЛИ

с другой стороны известные опыты Дэвиссона и Джсрмера (1927 г.) по

рассеиванию электронов на монокристаллах показали, что электроны

рассеиваются не под любым углом от поверхнос-rи к'ристалла, а

наблюдается дифракционная картина, описывающаяся уравнением

Вульфа-Брегга.

8

http://mitht.ru/e-library