معرفی

اعداد صحیح یا کسری که مقادیر ممکن مقادیر فیزیکی را که سیستم‌های کوانتومی را مشخص می‌کنند (هسته اتم، اتم، مولکول و غیره) تعیین می‌کنند. عنصر ذرات، ذرات فرضی کوارک ها و گلوئون ها.

اعداد کمی برای اولین بار برای توصیف قوانین تجربی یافت شده در فیزیک وارد شدند. طیف، اما معنای اعداد کوانتومی و گسستگی مرتبط با برخی از کمیت‌های فیزیکی که رفتار ریزذرات را مشخص می‌کنند، تنها توسط مکانیک کوانتومی آشکار شد. با توجه به مکانیک کوانتومی، مقادیر ممکن فیزیکی. مقدار توسط خود تعیین می شود. مقادیر اپراتورهای مربوطه - پیوسته یا گسسته؛ در حالت دوم، برخی از اعداد کوانتومی به وجود می آیند. (به معنای کمی متفاوت، اعداد کوانتومی گاهی اوقات کمیت هایی نامیده می شوند که در طول فرآیند حرکت حفظ می شوند، اما لزوماً به طیف گسسته مقادیر ممکن، به عنوان مثال، تکانه تعلق ندارند. یا انرژی یک ذره آزادانه در حال حرکت.)

تابش کوانتومی مغناطیسی

اعداد کوانتومی

الکترودینامیک کوانتومی

اعداد کوانتومی پارامترهای انرژی هستند که وضعیت الکترون و نوع اوربیتال اتمی که در آن قرار دارد را تعیین می کنند. اعداد کوانتومی برای توصیف وضعیت هر الکترون در یک اتم مورد نیاز است. در کل 4 عدد کوانتومی وجود دارد. اینها عبارتند از: عدد کوانتومی اصلی - n، عدد کوانتومی مداری - l، عدد کوانتومی مغناطیسی - میلی لیتر و عدد کوانتومی اسپین - ms. عدد کوانتومی اصلی n است.

عدد کوانتومی اصلی - n - سطح انرژی الکترون، فاصله سطح انرژی از هسته و اندازه ابر الکترونی را تعیین می کند. عدد کوانتومی اصلی هر عدد صحیحی را می گیرد که از n=1 شروع می شود (n=1،2،3،...) و با عدد دوره مطابقت دارد.

عدد کوانتومی مداری - l. عدد کوانتومی مداری - l - شکل هندسی اوربیتال اتمی را تعیین می کند. عدد کوانتومی مداری هر عدد صحیحی را می گیرد که از l=0 شروع می شود (l=0,1,2,3,…n-1). صرف نظر از عدد سطح انرژی، هر مقدار از عدد کوانتومی مداری مربوط به یک اوربیتال با شکل خاصی است. مجموعه ای از چنین اوربیتال هایی با مقادیر یکسان عدد کوانتومی اصلی، سطح انرژی نامیده می شود. هر مقدار از عدد کوانتومی مداری مربوط به یک اوربیتال با شکل خاصی است. مقدار عدد کوانتومی مداری l=0 با اوربیتال s (نوع 1-in) مطابقت دارد. مقدار عدد کوانتومی مداری l=1 با اوربیتال های p (3 نوع) مطابقت دارد. مقدار عدد کوانتومی مداری l=2 با اوربیتال های d (5 نوع) مطابقت دارد. مقدار عدد کوانتومی مداری l=3 با اوربیتال های f (7 نوع) مطابقت دارد.

میز 1

اوربیتال های f حتی شکل پیچیده تری دارند. هر نوع اوربیتال حجم فضایی است که احتمال یافتن الکترون در آن حداکثر است.

عدد کوانتومی مغناطیسی - میلی لیتر.

عدد کوانتومی مغناطیسی - میلی لیتر - جهت گیری اوربیتال در فضا را نسبت به میدان مغناطیسی یا الکتریکی خارجی تعیین می کند. عدد کوانتومی مغناطیسی هر عدد صحیحی را از -l تا +l می گیرد، از جمله 0. این بدان معناست که برای هر شکل مداری، 2l+1 جهت گیری انرژی معادل در فضای مداری وجود دارد.

برای اوربیتال s:

l=0، m=0 - یک جهت معادل در فضا (یک مدار).

برای اوربیتال p:

l=1، m=-1،0،+1 - سه جهت معادل در فضا (سه اوربیتال).

برای اوربیتال d:

l=2، m=-2،-1،0،1،2 - پنج جهت معادل در فضا (پنج اوربیتال).

برای اوربیتال f:

l=3، m=-3،-2،-1،0،1،2،3 - هفت جهت معادل در فضا (هفت اوربیتال).

عدد کوانتومی اسپین - ms.

عدد کوانتومی اسپین - ms - گشتاور مغناطیسی را تعیین می کند که وقتی الکترون به دور محور خود می چرخد ​​اتفاق می افتد. عدد کوانتومی اسپین فقط می‌تواند دو مقدار ممکن را بگیرد: 2/1+ و 2/1-. آنها با دو جهت ممکن و مخالف گشتاور مغناطیسی خود الکترون - اسپین - مطابقت دارند.

الکترودینامیک کوانتومی

(QED)، نظریه کوانتومی برهمکنش میدان های الکترون مغناطیسی و ذرات باردار. QED اغلب آن بخش از کوانتوم نامیده می شود. نظریه میدان، که برهمکنش میدان های الکترون-مغناطیسی و الکترون-پوزیترون را در نظر می گیرد. میدان الکترون مغناطیسی در چنین نظریه ای به عنوان یک میدان سنج ظاهر می شود. کوانتوم این میدان یک فوتون - ذره ای با جرم سکون صفر و اسپین 1 است و برهمکنش دو عنصر حاصل تبادل فوتون های مجازی بین آنهاست. ثابت بی بعد که شدت برهمکنش را مشخص می کند، ثابت ساختار ظریف a=e2/ћc»I/137 است (به طور دقیق تر، a-1=137.035987(29)). با توجه به مقدار کم a، روش اصلی محاسبه در QED تئوری اغتشاش است که نمایش گرافیکی بصری آن توسط نمودارهای فاینمن ارائه شده است.

صحت QED توسط تعداد زیادی آزمایش در کل محدوده موجود از فواصل (انرژی) تأیید شده است، از کیهانی - 1020 سانتی متر و تا درون ذره - 10-16 سانتی متر. QED فرآیندهایی مانند تشعشع حرارتی را توصیف می کند. اجسام، اثر Compton، bremsstrahlung و غیره. با این حال، مشخص ترین فرآیندها برای QED، فرآیندهای مرتبط با پلاریزاسیون خلاء هستند.

اولین اثر مشاهده شده QED، تغییر سطح Anergy Lamb است. به اصطلاح با دقت ثبت محاسبه می شود. مغناطیسی غیر طبیعی لحظه الکترونیکی Magn. لحظه کمیتی است که برهمکنش یک ذره در حال سکون را با ذره خارجی تعیین می کند ماگ رشته. از کوانتوم نظریه الکترون دیراک چنین است که الکترون باید یک گشتاور مغناطیسی برابر با مگنتون بور داشته باشد: mB = eћ/2mc (که m جرم الکترون است). در QED، اصلاحاتی که در بیان انرژی چنین برهمکنشی ظاهر می شود، به طور طبیعی به عنوان نتیجه ظهور اضافات "خلاء" به ممان مغناطیسی تفسیر می شود. این مواد افزودنی که برای اولین بار توسط فیزیکدان آمریکایی یو. شوینگر مورد مطالعه نظری قرار گرفتند، گشتاور مغناطیسی غیرعادی نامیده می شوند.

مقدار محاسبه شده گشتاور مغناطیسی الکترون m

theor=mB (1+a/2p- 0.328478(a/p)2+1.184175(a/p)3=1.00115965236(28)mB

مطابقت عالی با مقدار تجربی دارد: mexp=1.00115965241(21)mB

یک اثر مشخصه QED پراکندگی نور توسط نور است. در الکترودینامیک کلاسیک این اثر وجود ندارد: امواج الکترومغناطیسی در آن به عنوان غیر متقابل در نظر گرفته می شوند. در QED، اثر به دلیل تأثیر نوسانات خلاء الکترون-پوزیترون ممکن می شود.

در حالت اولیه دو فوتون (خطوط مواج) وجود دارد. یکی از آنها در نقطه 1 ناپدید می شود و باعث ایجاد یک جفت الکترون-پوزیترون مجازی (خطوط جامد) می شود. فوتون دوم در نقطه 2 توسط یکی از ذرات این جفت (در نمودار بالا، یک پوزیترون) جذب می شود. سپس فوتون های نهایی ظاهر می شوند: یکی در نقطه 4 توسط یک الکترون مجازی متولد می شود، دیگری در نتیجه نابودی یک جفت الکترون-پوزیترون مجازی در نقطه 3 به وجود می آید. به لطف جفت های الکترون-پوزیترون مجازی، برهمکنش بین فوتون ها ظاهر می شود. ، یعنی اصل برهم نهی امواج الکترومغناطیسی نقض می شود. این باید در فرآیندهایی مانند پراکندگی نور توسط نور ظاهر شود. یک فرآیند احتمال کمی بالاتر از پراکندگی فوتون توسط میدان الکترواستاتیک خارجی یک هسته سنگین، به عنوان مثال، توسط فوتون های مجازی (پراکندگی دلبروک)، به طور تجربی مشاهده شد. تصحیحات "بالاتر" (تابشی) که با استفاده از روش اغتشاش محاسبه می شود، همچنین در فرآیندهای پراکندگی ذرات باردار و در برخی پدیده های دیگر ظاهر می شود.

دسته دیگری از اثرات «خلاء» که توسط این نظریه پیش‌بینی می‌شود، تولد ذرات – پادذرات در میدان‌های الکترومغناطیسی و گرانشی بسیار قوی (اعم از ایستا و متغیر) است. مورد دوم به ویژه در ارتباط با مشکلات کیهانی مرتبط با مراحل اولیه تکامل کیهان (تولد جفت ها در میدان گرانشی سیاهچاله ها) مورد بحث قرار می گیرد.

این فرآیند نمونه ای از درهم تنیدگی نزدیک فیزیک لپتون ها و هادرون ها است. اهمیت تجزیه و تحلیل این نوع فرآیندها به ویژه پس از ظهور آزمایشات بر روی پرتوهای الکترون-پوزیترون برخوردی افزایش یافته است.

(QFT)، کوانتوم نسبیتی. نظریه فیزیک سیستم هایی با بی نهایت درجه آزادی. نمونه ای از چنین سیستمی یک میدان الکترومغناطیسی است که برای توصیف کامل آن در هر لحظه از زمان لازم است که قدرت میدان های الکتریکی و مغناطیسی در هر نقطه از فرآیند مشخص شود، یعنی تعداد نامتناهی از آن مشخص شود. مقادیر. در مقابل، موقعیت یک ذره در هر لحظه از زمان با تعیین سه مختصات آن تعیین می شود.

تا به حال ذرات آزاد غیر متقابل را در نظر گرفته ایم که تعداد آنها بدون تغییر باقی مانده است. همانطور که نشان دادن آن با استفاده از روابط (6) آسان است، عملگر تعداد ذرات N^(n)=a+na-n با عملگر انرژی رفت و آمد می کند؟^=S?(p)N^(p)، بنابراین تعداد ذرات باید ثابت باشد، t یعنی فرآیندهای ظاهر شدن ذرات اضافی، ناپدید شدن و تبدیل آنها وجود نداشت. در نظر گرفتن این فرآیندها مستلزم برهمکنش ذرات است.

تعامل در CTP

در الکترودینامیک کلاسیک، برهمکنش بین ذرات باردار از طریق یک میدان اتفاق می‌افتد: بار، میدانی را ایجاد می‌کند که روی بارهای دیگر اثر می‌گذارد. در تئوری کوانتومی، برهمکنش یک میدان الکترومغناطیسی و یک ذره باردار مانند گسیل و جذب بخش‌هایی از فوتون‌ها به نظر می‌رسد و برهمکنش بین ذرات باردار نتیجه تبادل فوتون‌های آنهاست: هر الکترون فوتون‌ها را ساطع می‌کند (کوانتوم‌های میدان الکترومغناطیسی). حامل برهمکنش)، که سپس توسط الکترون های دیگر جذب می شوند. تصویر مشابهی از اندرکنش به دلیل خاصیت خاص الکترودینامیک به وجود می آید، یعنی. n تقارن سنج مکانیسم مشابهی از تعامل به طور فزاینده ای برای سایر علوم فیزیکی تایید می شود. زمینه های. با این حال، یک ذره آزاد نمی تواند یک کوانتوم را ساطع یا جذب کند. به عنوان مثال، در سیستمی که ذره ای در حال سکون است، تابش کوانتومی مستلزم صرف انرژی و کاهش جرم ذره (به دلیل هم ارزی انرژی و جرم) است که غیرممکن است. برای حل این پارادوکس، باید در نظر بگیریم که ذرات مورد بحث کوانتومی هستند. اجسامی که رابطه D?Dt?ћ برای آنها به طور قابل توجهی نامشخص است و اجازه می دهد انرژی ذره با مقدار D? و در نتیجه گسیل یا جذب کوانتوم های صفر، مشروط بر اینکه این کوانتوم ها در بازه زمانی Dt?ћ/D? وجود داشته باشند. (بر اساس استدلال مشابه و واقعیت نیروهای هسته ای کوتاه برد، فیزیکدان ژاپنی H. Yukawa وجود یک ذره - حامل نفوذ هسته ای با جرم تقریباً 200-300 جرم الکترون را پیش بینی کرد که متعاقباً به طور تجربی کشف شد و مزون p نامیده می شود.) مولدها و تقویت کننده های امواج الکترومغناطیسی بر اساس پدیده تابش اجباری (القایی). اصل عملکرد یک ژنراتور کوانتومی مایکروویو به نام میزر (مخفف کلمات انگلیسی Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنی تقویت امواج مایکروویو به دلیل انتشار تحریک شده) در سال 1954 توسط چارلز تاونز پیشنهاد شد. (همین اصل زیربنای تقویت کننده های کوانتومی نوری و ژنراتورهای لیزری است.) از آنجایی که فرکانس تابش در خروجی یک ژنراتور کوانتومی توسط سطوح انرژی کاملاً ثابت و مجزا اتم ها یا مولکول های محیط فعال مورد استفاده در چنین ژنراتوری تعیین می شود. دارای یک مقدار دقیق و ثابت است.

انتشار خود به خود و تحریک شده.

انرژی تابش الکترومغناطیسی به شکل «بخش‌های» جداگانه به نام کوانتوم یا فوتون آزاد یا جذب می‌شود و انرژی یک کوانتوم برابر با hn است که h ثابت پلانک و n فرکانس تابش است. وقتی یک اتم یک کوانتوم انرژی را جذب می کند، به سطح انرژی بالاتری می رود، یعنی. یکی از الکترون های آن به مداری دورتر از هسته می پرد. مرسوم است که می گویند اتم در این حالت به حالت برانگیخته می رود. اتمی که در حالت برانگیخته قرار می گیرد، می تواند انرژی ذخیره شده خود را به روش های مختلف آزاد کند. یکی از راه های ممکن این است که به طور خود به خود یک کوانتوم با همان فرکانس ساطع شود و پس از آن به حالت اولیه خود بازگردد.

این فرآیند تابش خود به خودی (گسیل) است که به طور شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است. 3 در فرکانس های بالا، به عنوان مثال. در طول موج های کوتاه متناظر با نور مرئی، انتشار خود به خودی بسیار سریع اتفاق می افتد.

یک اتم برانگیخته، با جذب یک فوتون نور مرئی، معمولا انرژی به دست آمده را از طریق گسیل خود به خود در کمتر از یک میلیونیم ثانیه از دست می دهد.

فرآیند انتشار خود به خود در فرکانس های پایین به تأخیر می افتد.

علاوه بر این، یک اتم می تواند به یک حالت میانی برود و تنها بخشی از انرژی خود را به شکل فوتونی با انرژی کمتر ساطع شده از دست بدهد.

اتم هیدروژن تنها یک الکترون دارد و طیف گسیل آن نسبتا ساده است. در طیف نشری اتم های عناصر دیگر، تعداد خطوط بیشتر است. حتی قبل از ظهور مدل بور، فیزیکدانان یاد گرفتند که خطوطی را که از هم فاصله نزدیک دارند را که از نظر ظاهری در چنین طیف هایی متفاوت هستند، تشخیص دهند. برخی از آنها (بسیار باریک) "تیز" (از انگلیسی تیز) نامیده می شوند. روشن ترین خطوط "اصلی" نامیده می شد (از اصل انگلیسی). خطوط گسترده تری مشاهده شد - آنها را "تار" (پراکنده) نامیدند. نوع دیگری از خط "بنیادی" (از واژه انگلیسی اساسی) نامیده می شود. بر اساس حروف اول اسامی انگلیسی، آنها وجود خطوط s-، p-، d- و f را در طیف های نشری نشان دادند. در رابطه با مدل بور، این بدان معناست که در طیف اتم‌های پیچیده‌تر از هیدروژن، سطوح الکترونیکی دائمی می‌توانند از چندین سطح فرعی با فاصله نزدیک تشکیل شوند:

s-sublevel از روی خط "تیز" نامگذاری شده است.

زیرسطح p از خط "اصلی" نامگذاری شده است.

d-sublevel از خط "Diffuse"، "Diffuse" نامگذاری شده است، و F-sublevel از خط "Fundamental" نامگذاری شده است.

آرایش پیچیده سطوح در شکل 4 نشان داده شده است که ما دوباره در اینجا بازتولید می کنیم:

سطوح فرعی الکترونیکی اتم ها پیچیده تر از هیدروژن است. وجود سطوح فرعی منشأ خطوط "تیز"، "اصل" و "پراکنده" را در طیف ها توضیح می دهد. سطوح بالاتر در شکل نشان داده نشده است.

با استفاده از طیف، مشخص شد که سطح اول (1 = n) دارای هیچ سطح فرعی دیگری به جز s نیست. سطح دوم از دو سطح فرعی (s و p)، سطح سوم - از سه سطح فرعی (s، p، و d) تشکیل شده است. همانطور که می بینیم، سطوح فرعی با حروف اول نام انگلیسی خطوط مربوطه در طیف مشخص می شوند. متعاقباً، سطوح فرعی بالاتر به سادگی با ادامه الفبای لاتین مشخص شدند: g-sublevel، h-sublevel و غیره.

شکل 5 نموداری از برخی از انتقال انرژی الکترون ها در اتم لیتیوم را نشان می دهد که از طیف گسیل بخارات داغ این فلز به دست آمده است.

نمودار بخشی از سطوح انرژی و سطوح فرعی اتم لیتیوم. سطح 1 بسیار پایین تر از سطح 2 است و در مقیاس تصویر نمی گنجد (برگرفته از کتاب J. Campbell's Modern General Chemistry, M.: Mir, 1975, vol. 1, p. 109).

می توان اشاره کرد که در شکل 5 برخی از سطوح فرعی به صورت متشکل از چندین "قفسه" با انرژی برابر نشان داده شده اند. به عنوان مثال، p-sublevels از سه بخش با انرژی مساوی، d-sublevels - از پنج، F-sublevels - از هفت تشکیل شده است. از کجا این را می دانستی؟ در سال 1896، فیزیکدان آلمانی پی. کشف شد که در یک میدان مغناطیسی تعداد خطوط در طیف انتشار افزایش می یابد (اثر زیمن). پدیده مشابهی در یک میدان الکتریکی قوی مشاهده می شود. تا زمانی که فقط نیروهای داخلی هسته بر روی الکترون ها عمل می کنند، برخی از آنها می توانند در حالتی با همان انرژی باشند. اما وقتی یک میدان خارجی اضافی ظاهر می شود، این انرژی دیگر نمی تواند ثابت بماند. تجزیه و تحلیل طیف های زیمن خیلی بعد، فیزیکدان نظری ولفگانگ پاولی را به این ایده سوق داد که بیش از دو الکترون نمی توانند در یک "قفسه" انرژی قرار بگیرند. و برای مقاومت در برابر نیروهای دافعه قدرتمند، چنین الکترون هایی باید اسپین های مختلفی داشته باشند (کمی بعد به این خاصیت باز خواهیم گشت). معلوم می شود که یک اتم نمی تواند دو الکترون در یک حالت داشته باشد. این نتیجه گیری به عنوان اصل پائولی (یا طرد) شناخته می شود.

آزمایش‌های فیزیکی امکان تعیین جمعیت الکترونی سطوح و زیرسطح‌ها را ممکن می‌سازد. برای انجام این کار، اندازه گیری انرژی یونیزاسیون اتم ها، یعنی. انرژی حذف الکترون ها از آن ابتدا انرژی لازم برای حذف اولین الکترون از اتم و سپس الکترون دوم، سوم و غیره را اندازه گیری کنید. معلوم شد که همه اتم ها دارای الکترون هایی هستند که انرژی یونیزاسیون آنها نزدیک است. به عنوان مثال، برای آرگون (پوسته الکترونی آن دارای 18 الکترون است)، پنج گروه از این قبیل با انرژی های یونیزاسیون مشابه یافت می شود. آنها دارای 2، 2، 6، 2 و 6 الکترون هستند. اما 5 پایین ترین سطح انرژی یک اتم با سطوح فرعی 1s، 2s، 2p، 3s و 3p مطابقت دارد (این از طیف گسیلی مشخص است). در این مورد، زیرسطح s باید فقط از یک اوربیتال تشکیل شود (2 الکترون دارد)، سطح فرعی p باید از سه اوربیتال تشکیل شود (6 الکترون وجود دارد - دو الکترون برای هر اوربیتال). می توان نشان داد که زیرسطح d در شرایط عادی (بدون میدان خارجی) از پنج اوربیتال با انرژی یکسان و زیرسطح f از هفت اوربیتال تشکیل شده است.

مدل بور به تدریج اصلاح شد. دانشمندان جذب آن شدند زیرا می توان از آن برای انجام محاسبات نسبتاً دقیق استفاده کرد. به عنوان مثال، محاسبه انرژی اتم هیدروژن در حالت های زمین و برانگیخته، تعیین شعاع آن، محاسبه انرژی یونیزاسیون و غیره امکان پذیر بود. برای این منظور، این مدل با یک دستگاه ریاضی واضح و قابل درک برای بسیاری از محققان مجهز شد که عمدتا توسط خود N. Bohr و پیروانش A. Sommerfeld توسعه داده شد. برای انجام محاسبات، لازم بود وضعیت الکترون در اتم توصیف شود، یعنی. "آدرس" دقیق آن را در پوسته الکترونی (به طور دقیق تر، در مدل پوسته الکترونی) با استفاده از به اصطلاح اعداد کوانتومی نشان دهید. ما قبلاً می دانیم که هر الکترون در یک سطح (1، 2، 3، و غیره) وجود دارد. این سطح با عدد n مشخص می شود که به آن عدد کوانتومی اصلی می گویند. واضح است که عدد n فقط می تواند مقادیر صحیح بگیرد.

از آنجایی که سطوح قبلاً یک عدد کوانتومی اصلی n اختصاص داده شده بود، یک عدد کوانتومی کمکی l برای سطوح فرعی معرفی شد. اگر عدد کوانتومی اصلی n "آدرس" سطح باشد، عدد l "آدرس" سطح فرعی است:

l = 0 زیرسطح s، l = 1 زیرسطح p، l = 2 زیرسطح d، l = 3 زیرسطح f است.

توصیف مکانیک کوانتومی یک الکترون در یک اتم

تئوری بور محاسبه دقیق فرکانس‌های طیف اتم هیدروژن و سایر سیستم‌های تک‌الکترونی، یعنی یون‌هایی مانند هلیوم، لیتیوم و بریلیم را ممکن کرد.

با این حال، هنگامی که به سیستم های الکترونیکی پیچیده تر - سیستم های چند الکترونی - حرکت می کنیم، نظریه بور ناکافی بود.

از این رو نیاز به ایجاد نظریه ای کلی تری پدید آمد که به نام آن مکانیک کوانتومی.این نظریه رفتار اجسام ریز جهان (مثلاً یک الکترون) را توصیف می کند.

در سال 1923-1927 اصول اولیه مکانیک کوانتومی فرموله شد.

نظریه مکانیک کوانتومی شامل دو شرط اصلی است.

1. الكترون ماهيت دوگانه دارد. این ماده همزمان دارای خواص ذره و موج است. الکترون به عنوان یک ذره جرم و بار دارد، اما حرکت الکترون ها یک فرآیند موجی است. الکترون ها با پدیده پراش (جریان الکترون ها به دور یک مانع خم می شوند) مشخص می شوند.

2. موقعیت الکترون در اتم نامشخص است. این بدان معنی است که تعیین همزمان سرعت الکترون و مختصات آن در فضا غیرممکن است.

الکترونی که با سرعت بسیار بالایی حرکت می کند، می تواند در هر قسمتی از فضای اطراف هسته قرار گیرد و موقعیت های مختلف آنی آن به اصطلاح شکل می گیرد. ابر الکترونی باچگالی بار منفی نابرابر(نقاشی). شکل و اندازه ابر الکترونی بسته به انرژی الکترون می تواند متفاوت باشد.

برای ویژگی‌های شیمیایی یک عنصر که با وضعیت الکترون‌ها در پوسته الکترونی اتم آن تعیین می‌شود و همچنین برای توضیح پیوندهایی که یک اتم یک عنصر معین می‌تواند با اتم‌های دیگر ایجاد کند، لازم است بدانید:

- انرژی یک الکترون در یک اتم (به طور دقیق تر، انرژی یک سیستم متشکل از این الکترون، الکترون های دیگر و یک هسته؛

- شکل ابر الکترونی که توسط یک الکترون معین تشکیل شده است.

وضعیت یک الکترون در یک اتم با مجموعه ای از چهار عدد کوانتومی مشخص می شود.

بر اساس انرژی، الکترون ها در یک اتم بر اساس توزیع می شوند سطوح انرژی و سطوح فرعی

4.2.1. عدد کوانتومی اصلی (پ) سطح انرژی را مشخص می کند و اندازه ابر الکترونی، یعنی میانگین فاصله الکترون از هسته را تعیین می کند. مقادیر صحیح 1، 2، 3، ... را می پذیرد، پ،که با عدد سطح انرژی مطابقت دارد. بیشتر پ،هر چه انرژی الکترون بیشتر باشد، بنابراین حداقل انرژی مربوط به سطح اول است (پ= 1).

4.2.2 مدارییا عدد کوانتومی جانبی(ل)سطح زیرین انرژی را مشخص می کند و شکل ابر الکترونی را تعیین می کند. مقادیر صحیح از 0 تا را می پذیرد (پ - 1). معانی آن معمولاً با حروف نشان داده می شود:

l = 0 1 2 3

تعداد مقادیر ممکن لمربوط به تعداد سطوح فرعی ممکن در یک سطح معین، برابر با تعداد سطح است (پ).

در پ= 1 ل= 0 (1 مقدار)

پ= 2 ل= 0.1 (2 مقدار)

پ = 3 ل= 0، 1، 2 (3 مقدار)

n = 4 ل= 0، 1، 2، 3 (4 مقدار)

انرژی الکترون ها در سطوح فرعی مختلف از یک سطح بسته به آن متفاوت است لبه شرح زیر: برای هر مقدار لمربوط به شکل خاصی از ابر الکترونی است: s - کره، R -شکل سه بعدی هشت، d f - گل سرخ سه بعدی چهار گلبرگ یا شکل پیچیده تر (شکل).

جدول 1.1 - شکل ابرهای الکترونی

ساختار لایه الکترونی یک اتم.

اضافی

اصلی

1. Tyukavkina N.A., Baukov Yu.I. شیمی بیورگانیک م. پزشکی، 1991.

2. "راهنمای کلاس های آزمایشگاهی در شیمی بیورگانیک." ویرایش شده توسط Tyukavkina N.A., M.; پزشکی 1991. 3. Potapov V.M. ، Tatarinchik S.N. شیمی ارگانیک.

M. "شیمی" 1989.

1. اووچینیکوف یو.آ. شیمی بیورگانیک م.

روشنگری، 1987

2. Riles A.، Smith K.، Ward R. مبانی شیمی آلی

(برای دانشجویان رشته های بیولوژیکی و پزشکی.)

م. جهان 1983

3. موریسون آر.، بوید آر. شیمی آلی. M. Mir 1974

اساس نظریه مدرن ساختار اتمی قوانین و مقررات مکانیک کوانتومی است - شاخه ای از فیزیک که حرکت اجسام ریز (الکترون ها، پروتون ها و سایر ذرات دارای جرم ناچیز) را مطالعه می کند.

طبق مفاهیم مکانیک کوانتومی، ریز اجرام متحرک ماهیت دوگانه ای دارند: ذرات هستند، اما ماهیت حرکت را به صورت موج دارند، یعنی. ریز اشیاء به طور همزمان دارند جسمی و موجی خواص

برای توصیف حرکت ریز ذرات از آن استفاده می شود رویکرد احتمالی ، یعنی این موقعیت دقیق آنها نیست که تعیین می شود، بلکه احتمال حضور در یک منطقه از فضای دور هسته ای است.

حالت (در مکانیک کوانتومی، مترادف کلمه "حرکت") یک الکترون در یک اتم با استفاده از یک مدل مکانیکی کوانتومی - یک ابر الکترونی توصیف می شود. ابر الکترونیکی به صورت گرافیکی احتمال باقی ماندن یک الکترون در هر ناحیه از اوربیتال الکترون را منعکس می کند. زیر اوربیتال الکترونی لازم است منطقه ای از فضا را درک کرد که در آن، با درجه ای از احتمال (حدود 90-95٪)، وجود یک الکترون امکان پذیر است. اوربیتال الکترونی هر الکترون در یک اتم نامیده می شود اوربیتال اتمی (AO) ، در یک مولکول - اوربیتال مولکولی (MO) . شرح کاملی از وضعیت ابر الکترونی با استفاده از معادله شرودینگر انجام شده است. راه حل این معادله، یعنی. توصیف ریاضی اوربیتال فقط برای مقادیر گسسته (ناپیوسته) خاصی امکان پذیر است اعداد کوانتومی

مداری l(ln)

مغناطیسیعدد کوانتومی متر ( متر ل)

چرخشعدد کوانتومی پیامک)

اصلیعدد کوانتومی (n) ذخیره انرژی پایه الکترون را تعیین می کند، یعنی. درجه فاصله آن از هسته یا اندازه ابر الکترونی (اوربیتال). هر مقدار صحیح را می پذیرد که از یک شروع شود. برای اتم های واقعی موجود در حالت پایه n = 1÷7.

حالت یک الکترون که با مقدار معینی n مشخص می شود نامیده می شود سطح انرژی الکترون در یک اتم الکترون هایی با n مقدار یکسان تشکیل می شوند لایه های الکترونیکی (پوسته های الکترونیکی ) که می تواند با اعداد و حروف مشخص شود.

مقدار n………………………………….1 2 3 4 5 6 7

تعیین لایه الکترونیکی…….K L M N O P Q

کمترین مقدار انرژی مربوط به n = 1 است و الکترون‌های دارای n = 1 لایه الکترونی نزدیک‌ترین لایه به هسته اتم را تشکیل می‌دهند؛ آنها محکم‌تر به هسته متصل هستند.

مداریعدد کوانتومی (سمت یا سمتی). ل تکانه زاویه ای مداری الکترون را تعیین می کند و شکل ابر الکترونی را مشخص می کند. می تواند مقادیر صحیح را از 0 تا (n-1) بگیرد. برای اتم های واقعی موجود در حالت پایه لمقادیر 0،1،2 و 3 را می گیرد.

هر مقدار لمربوط به اوربیتال با شکل خاصی است. در ل=0 اوربیتال اتمی، صرف نظر از مقدار عدد کوانتومی اصلی، شکل کروی دارد (اوربیتال S). معنی l=1مربوط به یک اوربیتال اتمی به شکل دمبل است (اوربیتال p). اوربیتال های d و f اشکال پیچیده تری دارند ( ل=2, ل=3).

به هر n مربوط به تعداد معینی از مقادیر عدد کوانتومی مداری است، یعنی. سطح انرژی مجموعه ای از سطوح فرعی انرژی است. تعداد سطوح فرعی انرژی هر لایه الکترونیکی برابر با شماره لایه است، یعنی. مقدار عدد کوانتومی اصلی بنابراین اولین سطح انرژی (n=1) مربوط به یک زیرسطح-s است. دوم (n=2) – دو سطح فرعی s و p. سوم (n=3) – سه سطح فرعی s, p, d. چهارم (n=4) – چهار زیرسطح s, p, d, f.

بنابراین، یک زیرسطح انرژی حالتی از یک الکترون در یک اتم است که با مجموعه خاصی از اعداد کوانتومی مشخص می شود. n و ل این حالت یک الکترون مربوط به مقادیر معینی است n و ل (نوع مداری)، که به صورت ترکیبی از نام دیجیتالی n و حرف نوشته می شود ل، برای مثال 4p (n = 4; ل= 1)؛ 5d (n = 5; ل = 2).

میز 1

مطابقت بین نماد عدد کوانتومی مداری و سطح فرعی

مغناطیسیعدد کوانتومی مقدار پیش بینی تکانه زاویه ای مداری الکترون را بر روی یک محور دلخواه انتخاب شده تعیین می کند، یعنی. جهت گیری فضایی ابر الکترونی را مشخص می کند. تمام مقادیر صحیح را از - می پذیرد لبه + ل، از جمله مقدار 0.

بله وقتی که ل= 0 متر = 0. این بدان معناست که مدار S نسبت به سه محور مختصات جهت گیری یکسانی دارد. در ل=1 m می تواند سه مقدار داشته باشد: -1; 0; +1. این بدان معناست که می‌تواند سه اوربیتال p با جهت‌گیری در امتداد محورهای مختصات x، y، z وجود داشته باشد.

هر ارزشی ل مطابقت دارد (2 لیتر+1) مقادیر عدد کوانتومی مغناطیسی، یعنی. ( 2 لیتر+ 1) مکان های احتمالی یک ابر الکترونی از یک نوع معین در فضا. S – حالت مربوط به 2×0 + 1 = 1 یک اوربیتال، حالت p 2×1 + 1 = 3 سه اوربیتال، حالت d 2×2 + 1 = 5 پنج اوربیتال، حالت f 2×3 + 1 = 7 هفت اوربیتال و غیره

حالت یک الکترون در یک اتم که با مقادیر معینی از اعداد کوانتومی n مشخص می شود، ل، م، یعنی ابعاد، شکل و جهت معینی در فضای ابر الکترونی نامیده می شود اوربیتال الکترون اتمی .

چرخشعدد کوانتومی S(m s) گشتاور مکانیکی خود الکترون را که با چرخش آن حول محورش مرتبط است مشخص می کند. فقط دو معنی + و – دارد.

بنابراین، با جمع‌بندی موارد فوق، می‌توانیم بلوک دیاگرام "اعداد کوانتومی" را ترسیم کنیم (جدول 2).

جدول 2.بلوک دیاگرام "اعداد کوانتومی"

عدد کوانتومی	نام	معنای فیزیکی	ارزش ها چه کاری انجام می دهد
n (en)	عدد کوانتومی اصلی	ذخیره انرژی کل و اندازه اوربیتال های الکترونی را تعیین می کند. سطح انرژی را مشخص می کند	nÎN (از لحاظ نظری) n 1 2 3 4 5 6 7 K L M N O P Q (عملا)
ل(ale)	عدد کوانتومی مداری (آزیموتال).	شکل اوربیتال اتمی را تعیین می کند و سطوح فرعی انرژی را مشخص می کند	لÎ (به لحاظ نظری) ل 0 1 2 3 s p d f (عملا)
متر ل(Em)	عدد کوانتومی مغناطیسی	جهت گیری ابر الکترونی در فضا را نشان می دهد	از -l تا +l همه اعداد صحیح، از جمله صفر در ل=3 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 رفتار الکترون ها در اتم ها تابع اصل طرد است، وی. پاولی: در یک اتم نمی توان دو الکترون وجود داشته باشد که هر چهار عدد کوانتومی آنها یکسان باشد. طبق اصل پائولی، در یک مداری که با مقادیر معینی از اعداد کوانتومی n مشخص می شود، لو m می تواند یک یا دو الکترون باشد، اما در مقدار s متفاوت است. یک اوربیتال با دو الکترون که اسپین آنها ضد موازی هستند (سلول کوانتومی) را می توان به صورت شماتیک به صورت زیر نشان داد: حداکثر 2n 2 الکترون در یک لایه الکترونیکی وجود دارد که به اصطلاح ظرفیت لایه الکترونیکی است. جدول 3 مقادیر اعداد کوانتومی را برای حالت های مختلف الکترونی نشان می دهد و همچنین حداکثر تعداد الکترون هایی را که می تواند در یک سطح انرژی و سطح فرعی خاص در یک اتم باشد نشان می دهد. جدول 3. وضعیت کوانتومی الکترون ها، ظرفیت سطوح انرژی و سطوح فرعی. آرایش الکترون ها در لایه ها و اوربیتال ها به شکلی به تصویر کشیده شده است تنظیمات الکترونیکی . در این حالت الکترون ها بر اساس قرار می گیرند اصل حداقل انرژی : پایدارترین حالت یک الکترون در یک اتم با حداقل مقدار ممکن انرژی آن مطابقت دارد. اجرای خاص این اصل توسط اصل پائولی منعکس شده است (به صفحه 8 مراجعه کنید). قوانین هوندا، و قوانین کلچکوفسکی قانون هاند:در یک زیرسطح انرژی، الکترون ها طوری چیده شده اند که اسپین کل آنها حداکثر باشد. حکومت کلچکوفسکی: اوربیتال ها به ترتیب افزایش انرژی با الکترون ها پر می شوند که با مجموع (n + l) مشخص می شود. علاوه بر این، اگر مجموع (n + l) دو اوربیتال مختلف یکسان باشد، اوربیتال زودتر پر می شود., که عدد کوانتومی اصلی آن کوچکتر است. برای توالی پر کردن سطوح فرعی انرژی الکترونیکی در یک اتم به جدول 4 مراجعه کنید. جدول 4. ترتیب پر شدن اوربیتال ها با مجموع اعداد کوانتومی اصلی و ثانویه (n + ل). n ل n+ ل مداری روش پر کردن 1+0=1 1s 2+0=2 2+1=3 2s 2p 3+0=3 3+1=4 3+2=5 3s 3p 3d 4+0=4 4+1=5 4+2=6 4+3=7 4s 4p 4d 4f 5+0=5 5+1=6 5+2=7 5+3=8 5s 5p 5d 5f 6+0=6 6+1=7 6+2=8 6+3=9 6s 6p 6d 6f 7+0=7 7+1=8 7s 7p

عدد کوانتومی اصلیپ پ پ

(فیزیک. اپتیک. فیزیک کوانتومی. ساختار و خواص فیزیکی ماده)

اعداد کوانتومی و ساختار ظریف طیف ها

عدد کوانتومی اصلیپعدد سطح انرژی یک الکترون در یک اتم را نشان می دهد. مقدار عدد کوانتومی اصلی پ= 1 مربوط به حالت پایه الکترون با کمترین انرژی است. عدد کوانتومی اصلی پفقط مدارهای دایره ای (بور) را توصیف می کند. اگر...
(مبانی فیزیکی نظریه طیف سنجی نوری و اشعه ایکس)

تجربه بارنت آزمایش انیشتین و دو هاس. تجربه استرن و گرلاخ. چرخش. اعداد کوانتومی گشتاورهای مداری و اسپینی

مشخص است که مغناطش یک ماده در یک میدان مغناطیسی به دلیل جهت گیری یا القای ترجیحی در میدان مغناطیسی خارجی جریان های مولکولی میکروسکوپی است که به دلیل حرکت الکترون ها در مدارهای میکروسکوپی بسته در هر مولکول (اتم) ایجاد می شود. برای کیفیت ...
(فیزیک. اپتیک. فیزیک کوانتومی. ساختار و خواص فیزیکی ماده)

مدل مکانیکی کوانتومی اتم هیدروژن (نتایج حل معادله شرودینگر). اعداد کوانتومی اتم هیدروژن

مکانیک کوانتومی، بدون استناد به فرض‌های بور، دستیابی به راه‌حلی برای مسئله سطوح انرژی هم برای اتم هیدروژن و یک سیستم هیدروژن مانند و هم برای اتم‌های پیچیده‌تر ممکن می‌سازد. ما یک اتم هیدروژن مانند حاوی یک الکترون خارجی را در نظر خواهیم گرفت. میدان الکتریکی ایجاد شده ...
(فیزیک. اپتیک. فیزیک کوانتومی. ساختار و خواص فیزیکی ماده)

تابع موجی که حل معادله شرودینگر است نامیده می شود مداری. برای حل این معادله، سه عدد کوانتومی ( n, لو متر ل )

عدد کوانتومی اصلیn انرژی الکترون و اندازه ابرهای الکترونی را تعیین می کند. انرژی یک الکترون عمدتاً به فاصله الکترون از هسته بستگی دارد: هر چه الکترون به هسته نزدیکتر باشد، انرژی آن کمتر است. بنابراین می توان گفت که عدد کوانتومی اصلی است nتعریف کردن

مکان الکترون را در یک سطح انرژی خاص تعیین می کند. عدد کوانتومی اصلی دارای مقادیری از تعدادی اعداد صحیح است 1 قبل از ∞ . وقتی عدد کوانتومی اصلی برابر است با 1 (n = 1 ) الکترون در اولین سطح انرژی قرار دارد که در حداقل فاصله ممکن از هسته قرار دارد. انرژی کل چنین الکترونی کمترین مقدار است.

الکترونی که در دورترین سطح انرژی از هسته قرار دارد بیشترین انرژی را دارد. بنابراین، هنگامی که یک الکترون از سطح انرژی دورتر به سطح نزدیک تر حرکت می کند، انرژی آزاد می شود. سطوح انرژی با حروف بزرگ مطابق نمودار نشان داده شده است:

معنی n…. 1 2 3 4 5

تعیین K L M N Q

عدد کوانتومی مداریل . بر اساس محاسبات مکانیک کوانتومی، ابرهای الکترونی نه تنها از نظر اندازه، بلکه در شکل نیز متفاوت هستند. شکل ابر الکترونی با عدد کوانتومی مداری یا جانبی مشخص می شود. شکل های مختلف ابرهای الکترونی تغییر انرژی الکترون را در یک سطح انرژی تعیین می کند. تقسیم آن به سطوح فرعی انرژی هر شکل از ابر الکترونی مربوط به مقدار معینی از تکانه مکانیکی الکترون است  با عدد کوانتومی مداری تعیین می شود:

شکل خاصی از ابر الکترونی مربوط به مقدار بسیار خاصی از تکانه زاویه ای مداری الکترون است.  . زیرا  فقط می تواند مقادیر گسسته ای را که توسط عدد کوانتومی داده می شود، بگیرد ل، پس اشکال ابرهای الکترونی نمی توانند دلخواه باشند: برای هر مقدار ممکن لمربوط به شکل بسیار خاصی از ابر الکترونی است.

برنج. 5. تفسیر گرافیکی لحظه حرکت الکترون، که در آن μ - تکانه زاویه ای مداری

حرکت الکترون

عدد کوانتومی مداری می تواند از 0 قبل از n - 1 ، جمع n- ارزش های.

سطوح فرعی انرژی با حروف نشان داده می شوند:

معنی ل 0 1 2 3 4

تعیین س پ د f g

عدد کوانتومی مغناطیسیمتر ل . از حل معادله شرودینگر چنین نتیجه می شود که ابرهای الکترونی در فضا به روش خاصی جهت گیری می کنند. جهت گیری فضایی ابرهای الکترونی با یک عدد کوانتومی مغناطیسی مشخص می شود.

عدد کوانتومی مغناطیسی می‌تواند هر عدد صحیحی را، چه مثبت و چه منفی، به دست آورد که از - لبه + ل، و در مجموع این تعداد می تواند باشد (2l+1)مقادیر برای یک معین لاز جمله صفر. به عنوان مثال، اگر l = 1، سپس سه مقدار ممکن متر (–1,0,+1) لحظه مداری  , برداری است که قدر آن کوانتیزه می شود و با مقدار آن تعیین می شود ل. از معادله شرودینگر چنین بر می آید که نه تنها کمیت µ ، اما جهت این بردار، که جهت گیری فضایی ابر الکترونی را مشخص می کند، کوانتیزه شده است. هر جهت از بردار داده شده است

طول مربوط به مقدار معینی از طرح ریزی آن بر روی محور است z، مشخص کننده جهت خاصی از میدان مغناطیسی خارجی است. ارزش این فرافکنی مشخص می شود متر ل .

اسپین الکترونمطالعه طیف اتمی نشان داد که سه عدد کوانتومی n, لو متر ل توصیف کاملی از رفتار الکترون ها در اتم ها نیست. با توسعه روش های تحقیق طیفی و افزایش وضوح ابزارهای طیفی، ساختار ظریف طیف ها کشف شد. معلوم شد که خطوط طیفی شکافته شده اند. برای توضیح این پدیده، چهارمین عدد کوانتومی مربوط به رفتار خود الکترون معرفی شد. این عدد کوانتومی نامگذاری شد چرخشبا تعیین متر سو تنها دو مقدار را در نظر بگیرید +½ و –½ بسته به یکی از دو جهت ممکن اسپین الکترون در میدان مغناطیسی. مقادیر مثبت و منفی اسپین مربوط به جهت آن است. از آنجا که چرخشاز آنجایی که کمیت بردار است، معمولاً با یک فلش به سمت بالا یا پایین ↓ نشان داده می شود. الکترون هایی که جهت اسپین یکسانی دارند نامیده می شوند. موازی،برای مقادیر مخالف چرخش - ضد موازی

وجود اسپین در یک الکترون به طور تجربی در سال 1921 توسط W. Gerlach و O. Stern اثبات شد که موفق شدند پرتوی از اتم های هیدروژن را به دو قسمت مربوط به جهت اسپین الکترون تقسیم کنند. طراحی آزمایش آنها در شکل نشان داده شده است. 6. هنگامی که اتم های هیدروژن از میان ناحیه ای با میدان مغناطیسی قوی پرواز می کنند، الکترون هر اتم با میدان مغناطیسی برهمکنش می کند و این باعث می شود اتم از مسیر مستقیم اصلی منحرف شود.جهت انحراف اتم به جهت گیری اسپین بستگی دارد. از الکترون آن اسپین یک الکترون به شرایط خارجی بستگی ندارد و نمی توان آن را از بین برد یا تغییر داد.

بنابراین، در نهایت مشخص شد که کل حالت یک الکترون در یک اتم با چهار عدد کوانتومی مشخص می شود. n, ل, متر ل . و متر س ,

برنج. 6. طرح آزمایش استرن-گرلاخ