Вокруг ядра вращаются электроны по определенным стационарныморбитам. Двигаясь по своей орбите, электрон не излучает и не поглощает электромагнитную энергию. Излучение или поглощение энергии происходит при скачкообразном переходе электрона с одной орбиты на другую с испусканием или поглощением кванта света, энергия которого равна разности энергий электрона в начальном и конечном состоянии: ΔЕ = hν,где ΔЕ – разность энергий в начальном (основном) и конечном (возбужденном) состояниях электрона; h – постоянная Планка; ν – частота световой волны.
Предложенная модель строения атома позволила Н. Бору описать поведение электрона в атоме водорода и предсказать полный спектр его излучения (поглощения). Вместе с тем она содержала и ряд недостатков:
1. Постулаты Н. Бора противоречили законам механики, но сами законы использовались при расчетах.
2. Не объяснялся способ перехода электрона с одной орбиты на другую и его промежуточное состояние в процессе перехода.
3. Не объяснялась различная интенсивность линий атомных спектров. Данная модель была шагом вперед по сравнению с моделью Резерфорда, но и она была несовершенна, т. к. механически переносила представления макромира в микромир. В настоящее время для описания явлений микромира служит квантовая механика. Рассмотрим ее основные принципы, положенные в основу современной модели строения атома.
Двойственная природа электрона
Дальнейшее развитие теории строения атома связано с квантовой механикой. Было установлено, что фотон света обладает двойственной корпускулярно-волновой природой. Это означает, что он является частицей (корпускулой), т. к. производит давление, не способен дробиться, может выбивать электрон из атома элемента. В то же время фотон обладает волновыми свойствами, на что указывает
волновой характер распространения света и явления интерференции и дифракции. Фотон не имеет точного положения в пространстве. Двойственная корпускулярно-волновая природа фотона описывается следующими уравнениями:
Энергия Е фотона как частицы связана с его массой m и скоростью света с уравнением А. Эйнштейна: E = mc2,а энергия фотона как волны может быть рассчитана по уравнению М. Планка, учитывающему частоту световой волны ν: Е = hν,где h − постоянная Планка, h = 6,626 · 10–34 Дж ⋅ с.В 1924 г. Луи де Бройль, используя уравнения А. Эйнштейна и М. Планка, предположил наличие корпускулярно-волновой двойственности у электрона, что было отражено в уравнении де Бройля.
Поскольку корпускулярные свойства фотона выражены уравнением А. Эйнштейна, а волновые свойства – уравнением М. Планка, то из этих уравнений следует: mc2 =h ⋅ c/λ, где ν =с/λ ,
откуда λ = h/mc, или λ =h/mv, где v – скорость движения любой микрочастицы; λ – длина световой волны.Поскольку произведение массы тела со скоростью его движения Р = mv называется импульсом частицы Р, то уравнение де Бройля можно записать в следующем виде: λ = h/P.
Двойственная природа электрона в 1927 г. была подтверждена экспериментально учеными США, Англии и СССР независимо друг от друга. Было обнаружено, что электроны обладают не только массой и зарядом, но также дифракцией и интерференцией. В 1926 г. Э. Шредингер предположил, что состояние электрона в атоме описывается уравнением стоячей электромагнитной волны, и получил уравнение, связывающее энергию электрона с его волновым движением, с пространственными координатами волновой функции ψ, которая соответствует амплитуде трехмерного волнового процесса.
В это же время В. Гейзенберг для объяснения двойственной природы электрона предложил принцип неопределенности: нельзя с одинаковой точностью определить координату частицы (Δх) и ее импульс (Δmvx), т. е. невозможно точно указать положение электрона в пространстве в каждый момент времени, можно лишь говорить о некоторой вероятности пребывания его около ядра, которая пропорциональна квадрату абсолютного значения волновой функции Ψ 2 . Математически принцип Гейзенберга можно представить в виде уравнения Δx ⋅ Δ(mvx) ≥h/2π .
Часто говорят об электроне, как о размытом в пространстве облаке отрицательного заряда, хотя физически эта модель несовершенна.
Изотопы – разновидности атомов, имеющих одинаковые заряды ядер,но разные атомные массы (за счет разного числа нейтронов в ядре), например, 24Mg и 25Mg, 35Cl и 37Cl.
Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (α-частицы), называется радиоактивностью.