Изучение строения атома

Физика > Квантово-механический взгляд на атомы

 

Узнайте, что такое атом с позиции квантовой механики. Читайте о строении атома, вкладе и модели Нильса Бора и модели Шредингера, роли кулоновской силы.

Атом – главная единица материи, представленная ядром, вокруг которого сосредоточено заряженное электронное облако (атомная орбиталь).

Задача обучения

• Выявите главные вклады в понимание атомной структуры.

Основные пункты

• Нильс Бор выяснил, что электроны ограничены конкретными квантовыми орбитами и могут перемещаться между ними, но лишены свободного спирального передвижения.
• Эрвин Шредингер создал математическую модель атома, характеризующую электроны в трехмерных формах.
• Современный взгляд основывается на релятивистских поправках.

Термины

• Сканирующий туннельный микроскоп – инструмент для поверхностных отображений на атомном уровне.
• Квазиклассический подход – одна часть характеризуется квантово-механически, а вторая – классически.
• Двойственность волновых частиц – все частички обладают характеристиками волн и частиц.

Атом – главная единица материи, представленная ядром, вокруг которого сосредоточены электроны с отрицательным зарядом. В ядре вмещается смесь положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Кулоновская сила связывает электроны с ядром. Атомы – небольшие объекты, чьи диаметры охватывают всего десятую долю нанометра. В твердом состоянии их можно наблюдать в специальные инструменты, вроде сканирующего туннельного микроскопа.

Простейшей атомной формой выступает водород-1. В 1913 году Нильс Бор предположил, что четкие квантовые орбиты могут создавать ограничения для электронов. Тогда элемент метался бы между ними, но был лишен свободного вращения. Чтобы перейти между фиксированными орбитами, электрону нужно впитать и выделить определенное количество энергии. Модель Бора сумела разъяснить спектроскопические сведения о водороде, но здесь использовался квазиклассический подход, когда электрон воспринимался как частица.

Основываясь на корпускулярно-волновом дуализме, Эрвин Шредингер в 1926 году создал математическую модель атома, характеризующую электроны в качестве трехмерных форм. В итоге, для описания он использовал осциллограмм и выяснил, что математически не получится добыть точные значения позиции и импульса частички в одно время. Это именовали принципом неопределенности, выведенным в 1926 году Вернером Гейзенбергом.

Здесь отображено ядро (розовое) и расположение электронных облаков (черное). Ядро (справа вверху) в гелии-4 выступает сферически симметричным. Черная линия – один ангстрем

Современный квантово-механический подход включает релятивистские поправки. Квантовая электродинамика, характеризующая контакты электрически заряженных частичек, подсказала добавления на энергетических уровнях. Для этого с необычайной точностью вычислили один атомный переход водорода. Подобная спектроскопическая точность помогает физикам улучшать квантовые теории атомов.

---