Суть модели квантовая кратко

Обновлено: 08.07.2024

В квантово-механическая модель атома предполагает, что оно образовано центральным ядром, состоящим из протонов и нейтронов. Отрицательно заряженные электроны окружают ядро в диффузных областях, известных как орбитали.

Форма и размер электронных орбиталей определяется различными величинами: потенциалом ядра и квантованными уровнями энергии и углового момента электронов.

Согласно квантовой механике, электроны обладают двойным поведением волна-частица, и в атомном масштабе они являются диффузными и неточечными. Размеры атома практически определяются протяженностью электронных орбиталей, окружающих положительное ядро.

На рис. 1 показана структура атома гелия, в котором есть ядро с двумя протонами и двумя нейтронами. Это ядро окружено облаком вероятности двух электронов, окружающих ядро, которое в сто тысяч раз меньше. На следующем изображении вы можете увидеть атом гелия с протонами и нейтронами в ядре и электронами на орбиталях.

Размер атома гелия порядка одного ангстрем (1 Å), то есть 1 x 10 ^ -10 м. Хотя размер его ядра порядка фемтометр (1 фм), то есть 1 x 10 ^ -15 м.

Несмотря на свои сравнительно небольшие размеры, 99,9% атомной массы сосредоточено в крошечном ядре. Это потому, что протоны и нейтроны в 2000 раз тяжелее, чем окружающие их электроны.

Атомный масштаб и квантовое поведение

Одной из концепций, оказавших наибольшее влияние на развитие атомной модели, была концепция дуальности. волна - частица: открытие того, что с каждым материальным объектом связана волна материи.

Формула для расчета длины волны λ Связанный с материальным объектом был предложен Луи де Бройль в 1924 году и заключается в следующем:

куда час постоянная Планка, м тесто и v скорость.

Согласно принципу де Бройля, каждый объект имеет двойное поведение, но в зависимости от масштаба взаимодействий, скорости и массы волновое поведение может быть более заметным, чем поведение частицы, или наоборот.

Электрон легкий, его масса 9,1 × 10 ^ -31 кг. Типичная скорость электрона - 6000 км / с (в пятьдесят раз меньше скорости света).Эта скорость соответствует значениям энергии в диапазоне десятков электрон-вольт.

Используя приведенные выше данные и формулу де Бройля, можно получить длину волны электрона:

λ = 6,6 x 10 ^ -34 Дж · с / (9,1 · 10 ^ -31 кг 6 · 10 ^ 6 м / с) = 1 x 10 ^ -10 м = 1 Å

Электрон при типичных энергиях атомных уровней имеет длину волны того же порядка, что и в атомном масштабе, поэтому в этом масштабе он имеет волновое поведение, а не поведение частиц.

Первые квантовые модели

Помня о том, что электрон атомного масштаба имеет волновое поведение, были разработаны первые атомные модели, основанные на квантовых принципах. Среди них выделяется модель атома Бора, которая идеально предсказывала спектр излучения водорода, но не других атомов.

Модель Бора, а затем модель Зоммерфельда были полуклассическими моделями. Другими словами, электрон рассматривался как частица, на которую действует электростатическая сила притяжения ядра, вращающегося вокруг него, в соответствии со вторым законом Ньютона.

В дополнение к классическим орбитам, эти первые модели учитывали, что с электроном связана материальная волна. Разрешены только орбиты, периметр которых составляет целое число длин волн, поскольку те, которые не соответствуют этому критерию, исчезают из-за деструктивной интерференции.

Именно тогда квантование энергии впервые появляется в атомной структуре.

Слово квант Это происходит именно из-за того, что электрон может принимать только некоторые дискретные значения энергии внутри атома. Это совпадает с открытием Планка, которое заключалось в открытии того факта, что излучение с частотой F взаимодействует с веществом в пакетах энергии E = h f, где час - постоянная Планка.

Динамика материальных волн

Больше не было никаких сомнений в том, что электрон на атомном уровне ведет себя как материальная волна. Следующим шагом было найти уравнение, определяющее их поведение. Это уравнение - ни что иное, как уравнение Шредингера, предложенное в 1925 году.

Это уравнение связывает и определяет волновую функцию ψ связанный с частицей, такой как электрон, с ее потенциалом взаимодействия и ее полной энергией А ТАКЖЕ. Его математическое выражение:

Равенство в уравнении Шредингера выполняется только для некоторых значений полной энергии А ТАКЖЕ, что приводит к квантованию энергии. Волновая функция электронов, на которые действует потенциал ядра, получается из решения уравнения Шредингера.

Атомные орбитали

Абсолютное значение квадрата волновой функции |ψ| ^ 2, дает амплитуду вероятности нахождения электрона в данной позиции.

Это приводит к концепции орбитальныйкоторый определяется как диффузная область, занятая электроном с ненулевой амплитудой вероятности, для дискретных значений энергии и углового момента, определяемых решениями уравнения Шредингера.

Знание орбиталей очень важно, потому что оно описывает атомную структуру, химическую реактивность и возможные связи для образования молекул.

Атом водорода - самый простой из всех, потому что у него один электрон, и он единственный, который допускает точное аналитическое решение уравнения Шредингера.

Этот простой атом имеет ядро, состоящее из протона, которое создает центральный потенциал кулоновского притяжения, который зависит только от радиуса р, так что это система со сферической симметрией.

Волновая функция зависит от положения, заданного сферическими координатами относительно ядра, поскольку электрический потенциал имеет центральную симметрию.

Кроме того, волновую функцию можно записать как произведение функции, которая зависит только от радиальной координаты, и другой функции, которая зависит от угловых координат:

Квантовые числа

Решение радиального уравнения дает дискретные значения энергии, которые зависят от целого числа п, называется главное квантовое число, которые могут принимать положительные целые значения 1, 2, 3, .

Дискретные значения энергии - это отрицательные значения, определяемые следующей формулой:

Решение углового уравнения определяет квантованные значения углового момента и его z-компоненты, что дает квантовые числа л Y мл.

Квантовое число углового момента л идет от 0 до п-1. Квантовое число мл называется магнитным квантовым числом и идет от -l до + л. Например да л если бы было 2, магнитное квантовое число приняло бы значения -2, -1, 0, 1, 2.

Форма и размер орбиталей

Радиальный охват орбитали определяется радиоволновая функцияк. Он тем больше, чем больше энергия электрона, то есть главное квантовое число.

Радиальное расстояние обычно измеряется в радиусах Бора, которые для самой низкой энергии водорода составляют 5,3 · 10-11 м = 0,53 Å.

Но форма орбиталей определяется величиной квантового числа углового момента. Если l = 0, у нас есть сферическая орбиталь, называемая s, если l = 1, у нас есть дольчатая орбиталь, называемая п, который может иметь три ориентации в соответствии с магнитным квантовым числом. На следующем рисунке показана форма орбиталей.

Эти орбитали упаковываются друг в друга в зависимости от энергии электронов. Например, на следующем рисунке показаны орбитали в атоме натрия.

Вращение

Квантово-механическая модель уравнения Шредингера не учитывает спин электрона. Но это учитывается с помощью принципа исключения Паули, который указывает, что орбитали могут быть заполнены до двух электронов со спиновыми квантовыми числами s = + ½ и s = -½.

Например, у иона натрия 10 электронов, то есть, если мы обратимся к предыдущему рисунку, на каждую орбиталь приходится по два электрона.

Но если это нейтральный атом натрия, то имеется 11 электронов, последний из которых будет занимать 3s-орбиталь (не показана на рисунке и с большим радиусом, чем 2s). Спин атома имеет решающее значение для магнитных характеристик вещества.

Если Вы вдруг поняли, что подзабыли основы и постулаты квантовой механики или вообще не знаете, что это за механика такая, то самое время освежить в памяти эту информацию. Ведь никто не знает, когда квантовая механика может пригодиться в жизни.

Зря вы усмехаетесь и ехидствуете, думая, что уж с этим предметом вам в жизни вообще никогда не придется сталкиваться. Ведь квантовая механика может быть полезной практически каждому человеку, даже бесконечно далекому от нее. Например, у Вас бессонница. Для квантовой механики это не проблема! Почитайте перед сном учебник – и Вы спите крепчайшим сном странице уже эдак на третьей. Или можете назвать так свою крутую рок группу. Почему бы и нет?

Шутки в сторону, начинаем серьезный квантовый разговор.

С чего начать? Конечно, с того, что такое квант.

Квант

Квант (от латинского quantum – ”сколько”) – это неделимая порция какой-то физической величины. Например, говорят - квант света, квант энергии или квант поля.

Квантовая механика для "чайников"

Как механика может быть квантовой?

Как Вы уже заметили, в нашем разговоре мы много раз упоминали о частицах. Возможно, Вы и привыкли к тому, что свет – это волна, которая просто распространяется со скоростью с. Но если посмотреть на все с точки зрения квантового мира, то есть мира частиц, все изменяется до неузнаваемости.

Квантовая механика – это раздел теоретической физики, составляющая квантовой теории, описывающая физические явления на самом элементарном уровне – уровне частиц.

Действие таких явлений по величине сравнимо с постоянной Планка, а классическая механика Ньютона и электродинамика оказались совершенно непригодными для их описания. Например, согласно классической теории электрон, вращаясь с большой скоростью вокруг ядра, должен излучать энергию и в конце концов упасть на ядро. Этого, как известно, не происходит. Именно поэтому и придумали квантовую механику – открытые явления нужно было как-то объяснить, и она оказалась именно той теорией, в рамках которой объяснение было наиболее приемлемым, а все экспериментальные данные "сходились".

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Немного истории

Зарождение квантовой теории произошло в 1900 году, когда Макс Планк выступил на заседании немецкого физического общества. Что тогда сообщил Планк? А то, что излучение атомов дискретно, а наименьшая порция энергии этого излучения равна

Наименьшая порция энергии излучения атома

Где h - постоянная Планка, ню - частота.

Затем Альберт Эйнштейн, введя понятие “квант света” использовал гипотезу Планка для объяснения фотоэффекта. Нильс Бор постулировал существование у атома стационарных энергетических уровней, а Луи де Бройль развил идею о корпускулярно-волновом дуализме, то есть о том, что частица (корпускула) обладает также и волновыми свойствами. К делу присоединились Шредингер и Гейзенберг, и вот, в 1925 году публикуется первая формулировка квантовой механики. Собственно, квантовая механика – далеко не законченная теория, она активно развивается и в настоящее время. Также следует признать, что квантовая механика с ее допущениями не имеет возможности объяснить все стоящие перед ней вопросы. Вполне возможно, что на смену ей придет более совершенная теория.

При переходе от мира квантового к миру привычных нам вещей законы квантовой механики естественным образом трансформируются в законы механики классической. Можно сказать, что классическая механика – это частный случай квантовой механики, когда действие имеет место быть в нашем с Вами привычном и родном макромире. Здесь тела спокойно движутся в неинерциальных системах отсчета со скоростью, гораздо меньшей скорости света, и вообще - все вокруг спокойно и понятно. Хочешь узнать положение тела в системе координат – нет проблем, хочешь измерить импульс – всегда пожалуйста.

Совершенно иной подход к вопросу имеет квантовая механика. В ней результаты измерений физических величин носят вероятностный характер. Это значит, что при изменении какой-то величины возможно несколько результатов, каждому из которых соответствует определенная вероятность. Приведем пример: монетка крутится на столе. Пока она крутится, она не находится в каком-то определенном состоянии (орел-решка), а имеет лишь вероятность в одном из этих состояний оказаться.

Здесь мы плавно подходим к уравнению Шредингера и принципу неопределенности Гейзенберга.

Уравнение Шредингера

Согласно легенде Эрвин Шредингер, в 1926 году выступая на одном научном семинаре с докладом на тему корпускулярно-волнового дуализма, был подвергнут критике со стороны некоего старшего ученого. Отказавшись слушать старших, Шредингер после этого случая активно занялся разработкой волнового уравнения для описания частиц в рамках квантовой механики. И справился блестяще! Уравнение Шредингера (основное уравнение квантовой механики) имеет вид:

Данный вид уравнения – одномерное стационарное уравнение Шредингера – самый простой.

Здесь x - расстояние или координата частицы, m - масса частицы, E и U - соответственно ее полная и потенциальная энергии. Решение этого уравнения – волновая функция (пси)

Волновая функция – еще одно фундаментальное понятие в квантовой механике. Так, у любой квантовой системы, находящейся в каком-то состоянии, есть волновая функция, описывающая данное состояние.

Например, при решении одномерного стационарного уравнения Шредингера волновая функция описывает положение частицы в пространстве. Точнее говоря, вероятность нахождения частицы в определенной точке пространства. Иными словами, Шредингер показал, что вероятность может быть описана волновым уравнением! Согласитесь, до этого нужно было додуматься!

Принцип неопределенности Гейзенберга

Но почему? Почему мы должны иметь дело с этими непонятными вероятностями и волновыми функциями, когда, казалось бы, нет ничего проще, чем просто взять и измерить расстояние до частицы или ее скорость.

Все очень просто! Ведь в макромире это действительно так – мы с определенной точностью измеряем расстояние рулеткой, а погрешность измерения определяется характеристикой прибора. С другой стороны, мы можем практически безошибочно на глаз определить расстояние до предмета, например, до стола. Во всяком случае, мы точно дифференцируем его положение в комнате относительно нас и других предметов. В мире же частиц ситуация принципиально иная – у нас просто физически нет инструментов измерения, чтобы с точностью измерить искомые величины. Ведь инструмент измерения вступает в непосредственный контакт с измеряемым объектом, а в нашем случае и объект, и инструмент – это частицы. Именно это несовершенство, принципиальная невозможность учесть все факторы, действующие на частицу, а также сам факт изменения состояния системы под действием измерения и лежат в основе принципа неопределенности Гейзенберга.

Приведем самую простую его формулировку. Представим, что есть некоторая частица, и мы хотим узнать ее скорость и координату.

В данном контексте принцип неопределенности Гейзенберга гласит: невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частицы. Математически это записывается так:

Принцип неопределенности Гейзенберга

Здесь дельта x - погрешность определения координаты, дельта v - погрешность определения скорости. Подчеркнем – данный принцип говорит о том, что чем точнее мы определим координату, тем менее точно будем знать скорость. А если определим скорость, не будем иметь ни малейшего понятия о том, где находится частица.

На тему принципа неопределенности существует множество шуток и анекдотов. Вот один из них:

Полицейский останавливает квантового физика.
- Сэр, Вы знаете, с какой скоростью двигались?
- Нет, зато я точно знаю, где я нахожусь

Надеемся, что эта статья помогла Вам немного размять мозги, вспомнить хорошо забытое старое, а может быть и узнать что-то новое. Здесь мы постарались рассказать о квантовой механике просто, понятно и по возможности интересно. Конечно, данная тема не может быть раскрыта в рамках одной статьи, поэтому о парадоксах, нерешенных задачах, черных дырах и котах Шредингера мы поговорим в самое ближайшее время. А пока, чтобы закрепить знания, предлагаем посмотреть тематическое видео. Возможно вас также заинтересуют правила оформления чертежей по ЕСКД.

И, конечно, напоминаем Вам! Если вдруг по какой-то причине решение уравнения Шредингера для частицы в потенциальной яме не дает Вам уснуть, обращайтесь к нашим авторам – профессионалам, которые были взращены с квантовой механикой на устах!

Сегодня стандартная модель наиболее удовлетворяющая учёных теория в физике элементарных частиц.

Но эта модель не даёт объяснения гравитации. Не согласуются с экспериментами представления стандартной модели о нейтрино. Для стандартной модели не понятно, почему всё состоит из вещества, а антивещество можно получать в микроскопических количествах. В связи с этим в стандартной модели вводится нарушение симметрии, которое экспериментально не обнаруживается. Есть ещё несколько более глубоких проблем стандартной модели.

Есть и другие модели, которые решают отдельные проблемы, но содержат другие.

Квантовая гравитация (пока есть только попытки её разработки) наталкивается на противоречие между квантовой механикой и общей теории относительности. Эта зарождающаяся теория требует квантования пространства и тензора энергии-импульса из ОТО.

Словом, листы проекта устройства Вселенной пока не удаётся склеить.

Для согласования квантовой механики и теории гравитации они должны иметь общее основание и общие принципы. Квантовая механика сегодня претендует на то, что квантование это суть всей материи. ОТО говорит о том, что пространство-время непрерывно.

Подход принятый в модели Медиосо ещё не применялся в науке. А этот подход требует, чтобы любое явление имело максимально простое объяснение и представление.

В Медиосо предлагается распределить роли в теории так, чтобы каждое реально наблюдаемое явление в ней имело прочное место.

Прежде всего посмотрим на микромир с огромным числом открытых и неоткрытых, но предсказанных частиц, а также полей и их переносчиков. Модель Медиосо не требует наличия переносчика взаимодействия, поскольку его роль берёт на себя среда.

Если говорить о гравитационном и электромагнитном взаимодействиях в модели Медиосо, то они никак не противоречат друг другу и даже дополняют друг друга. Принятие фракционной среды за основу в модели Медиосо позволило описывать и электромагнетизм и гравитацию с общих позиций.

При этом выполнен отказ от избыточно введённых ранее понятий, а некоторые скорректированы. Наиболее значимые из этих действий:

1. Лишена фундаментальности гравитационная постоянная.

2. Лишено права на существование магнитное поле (а заодно и магнитные монополи).

3. Лишено права на единоличную власть во Вселенной метрическое пространство.

4. Электромагнитные волны переведены из статуса особого вида материи в статус распространяющегося по строгим правилам возбуждения электрической фракции среды Медиосо.

5. Потенциал из нефизического представления переведён в реальную характеристику материи.

7. Квантованию отведена область электромагнитных явлений.

8. Повышен статус принципа наименьшего действия до важнейшего при формировании траекторий.

9. Модель Медиосо отказывается от переносчиков взаимодействий, поскольку их роль берёт на себя среда.

10. Главенствующее понятие энергии замещено главенствующим понятием потенциала.

Авторы модели Медиосо считают, что никакими законами природы не запрещён взгляд на знакомые явления с другой стороны. Теоретико-математические выводы без оснований в экспериментальной практике не могут служить основанием для признания реальности каких-то явлений.

В качестве примера может быть приведён магнитный векторный потенциал.

Этот потенциал введён в теорию в ложном убеждении о необходимости ввести в ней симметричное электрическому магнитное поле. Впоследствии проводились эксперименты часть из которых российскими физиками была оценена ошибочными, а часть была принята международным сообществом. Реального строгого экспериментального подтверждения нет, но теория при этом не претерпевает попыток корректировки, а теоретики не пытаютсяосознатьнеобходимостьизменений.

Ещё интересней ситуация с вихревым электрическим полем. Все сознают, что его существование не допускается законом сохранения энергии. Но в теории без него обойтись не удаётся.

На базе представлений модели Медиосо две описанных выше проблемы решены.

Попробуем оценить возможности модели Медиосо в части построения единой физики.

Наличие среды Медиосо позволяет отказаться от необходимости в частицах переносчиках электромагнитных и гравитационных взаимодействий. Пока не рассматривались взаимодействия внутриядерные и более глубокие. Возможно, что внутриядерные взаимодействия могут быть объяснены на основе уже имеющихся в модели фракций. Но если такого не произойдёт, можно предположить существование шестой фракции. А дальше эксперимент покажет справедливость такого решения.

Объяснение электромагнитного взаимодействия в Медиосо основано на представлении о фракции подчинённой фракции гравитации. При этом электрические потенциалы ничем не ограничены, поскольку компенсируют друг друга внутри фракции гравитации. Сильное взаимодействие может оказаться следствием наличия фракции вложенной в электрическую. Этот вопрос ещё предстоит исследовать.

Модель Медиосо отказалась от абсолютизации метрического пространства. Это позволяет объяснять явления по обычному представлению сверхэнергичные, но в представлении Медиосо только находящиеся в областях с почти нулевым метрическим пространством.

Вернёмся к электромагнитным и гравитационным взаимодействиям.

Рассмотрение орбитального движения с учётом орбит вокруг сверхмассивных объектов, когда траектории не могут быть описаны плоскими коническими сечениями, привлекается геометрия конусообразных фигур, построенных с учётом существования гравитационных радиусов. Вычисление траекторий в таком случае сводится к вычислению линий на поверхностях этих фигур, и проекций этих линий на плоскость основания применяемых для вычислений фигур. Такой метод расчёта оказывается многократно проще применяемых в таких случаях в официальной науке.

Совместное рассмотрение гравитационных параметров и электрических зарядов, как проявлением сути вещественных объектов позволяет упрощать вычисления в электродинамике. В частности оказываются возможными вывод закона Ампера, уравнений электродинамики, закона инерции, которые в современной физике носят феноменологический характер.

На основе модели не постулируется, а выводится существование верхней границы скорости передачи взаимодействий.

И всё это без виртуальных частиц.

Наличие таких результатов сегодня вселяет надежду на решение и других проблем физики, в других областях.

Одна из запланированных работ будет направлена на вывод необходимости существования кванта действия.

Квантовая механика, электродинамика, механика, гравитация стали предметом не разных, а одной модели.

Не об этом ли думают физики в ожидании теории всего?

Конечно, модель Медиосо не опровергает существования субатомных частиц. В деле открытия и классификации этих объектов микромира Стандартная модель достигла огромных успехов. Но какую цель ставит перед собой физик, изучая стандартную модель и субатомные частицы?

Если вспомнить, что у каждого следствия есть причина, а каждый процесс развивается по принципу наименьшего действия, а заодно и небезызвестную бритву Оккама,то на многие вопросы ответ может быть найден достаточно просто. Например, почему три пространственных измерения. Если вы достаточно владеете математическим аппаратом. То сможете вычислить, возможны ли стабильные орбиты при наличии четвёртого пространственного измерения. Оказывается, что это невозможно. Кроме того трёх измерений достаточно для того чтобы можно было найти дорогу в обход вещественных объектов. Ну и для того чтобы мир с человеком в нём мог существовать не требуется четвёртое измерение. Нам повезло жить в таком мире.

Если каждый важный вопрос рассматривать с позиции причин и следствий, наименьшего действия и отсутствия излишеств, то ответ будет найден.

Основным понятием квантовой механики является понятие квантового состояния какого-то микрообъекта, или микросистемы (это может быть отдельная частица, атом, молекула, совокупность атомов и т.п.).

Квантовая модель атома отличается от планетарной в первую очередь тем, что в ней электрон не имеет точно определенной координаты и скорости, поэтому бессмысленно говорить о траектории его движения. Можно определить (и нарисовать) только область его преимущественного движения (орбитали).

Состояние какого-то микрообъекта, или микросистемы (это может быть отдельная частица, атом, молекула, совокупность атомов и т.п.) может быть охарактеризовано заданием квантовых чисел: значений энергии, импульса, момента импульса, проекции этого момента импульса на какую-то ось, заряда и т.п.

УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА для движения электрона в кулоновском поле ядра атома водорода используется для анализа квантовой модели атома. В результате решения этого уравнения получается волновая функция, которая зависит не только от координаты и времени t, но и от 4-х параметров, имеющих дискретный набор значений и называемых квантовыми числами. Они имеют названия: главное, азимутальное, магнитное и магнитное спиновое.

Главное квантовое число n может принимать целочисленные значения 1, 2, . . Оно определяет величину энергии электрона в атоме

(20)

, где Е_i - энергия ионизации атома водорода (13,6 эВ).

АЗИМУТАЛЬНОЕ (ОРБИТАЛЬНОЕ) квантовое число l определяет модуль момента импульса электрона при его орбитальном движении (21)

. Оно принимает целочисленные значения l = 0, 1, 2, . n-1 .

МАГНИТНОЕ квантовое число m_l определяет проекцию вектора момента импульса орбитального движения электрона L_Z на направление внешнего магнитного поля . Оно принимает положительные и отрицательные целочисленные значения, по модулю меньшие или равные l . , (22)

где m_l = 0, ±1, ±2, . , ±l .

МАГНИТНОЕ спиновое квантовое число m_S определяет проекцию вектора собственного момента импульса электрона (СПИНА ) на направление внешнего магнитного поля _:

S_{Z =} m_S и принимает только 2 значения: m_S = +1/2, -1/2. Для модуля спина , (23)

где s – спиновое квантовое число, которое у каждой частицы имеет только одно значение. Например, для электрона s = (аналогично, для протона и нейтрона). Для фотона s = 1.

Вырожденными называются состояния электрона с одинаковой энергией.

КРАТНОСТЬ ВЫРОЖДЕНИЯравна количеству состояний с одной и той же энергией.

КРАТКАЯ запись состояния электрона в атоме: ЦИФРА, равная главному квантовому числу, и буква, определяющая азимутальное квантовое число:

Таблица 1 Краткая запись состояния электрона в атоме

Буква	s	p	d	e	f
Значение l

ПРАВИЛО ОТБОРА азимутального квантового числа Dl = ±1. Электрон в атоме может переходить только между состояниями, удовлетворяющему указанному правилу.

5 Порядок выполнения работы

(20)

, где Е_i - энергия ионизации атома водорода (13,6 эВ).

. Оно принимает целочисленные значения l = 0, 1, 2, . n-1 .

где m_l = 0, ±1, ±2, . , ±l .

S_{Z =} m_S и принимает только 2 значения: m_S = +1/2, -1/2. Для модуля спина , (23)

Вырожденными называются состояния электрона с одинаковой энергией.

КРАТНОСТЬ ВЫРОЖДЕНИЯравна количеству состояний с одной и той же энергией.

Таблица 1 Краткая запись состояния электрона в атоме

Буква	s	p	d	e	f
Значение l

Теория Бора предложила физикам пользоваться по
понедельникам, средам и пятницам классическими законами,
а по вторникам, четвергам и субботам — квантовыми.

Модель атома Бора не смогла дать исчерпывающие ответы на вопросы об устойчивости атома, о дискретности спектра его излучения. Только с развитием квантовой механики с использованием нового математического аппарата удалось построить завершенную модель строения атома, позволяющую понять законы микромира.

В классической механике движение частицы описывается заданием ее координат и импульса (скорости) в каждой точке траектории. Чтобы рассчитать параметры движения любой сложной системы, достаточно задать координаты и импульсы (скорости) всех частиц, входящих в систему, в начальный момент времени и условия, при которых происходит движение (действующие силы, поля). После этого, используя уравнения движения (второй закон Ньютона), можно найти координаты и импульсы (скорости) в любой момент времени, т.е. определить, где будет находиться частица в тот или иной момент времени.

При переходе в область микромира оказывается, что такой способ не применим. Для описания явлений микромира была разработана квантовая механика. Квантовая механика — раздел физики, в котором изучаются свойства и поведение микрочастиц, а также связь величин, характеризующих частицы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в экспериментах.

Результаты экспериментов показывают, что микрообъекты обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Так, например, электрон является частицей, имеющей определенную массу и заряд, но при его движении вокруг ядра необходимо учитывать его волновые свойства, так как у него отсутствует определенная траектория движения и точное расположение в пространстве. Для объяснения двойственного поведения микрообъектов требовался кардинальный пересмотр установившихся представлений.

В квантовой механике движение частицы описывается волновой функцией — функцией координат и времени. Зная волновую функцию частицы, используя измерительные приборы, можно получить сведения о поведении этой частицы и о результатах любого ее взаимодействия. При этом волновая функция характеризует вероятность любого результата измерения. Квадрат ее модуля определяет вероятность пребывания частицы в окрестности точки с координатами (x,y,z) в момент времени t. В квантовой механике, даже если задать все начальные условия в какой-то момент времени и полностью решить систему уравнений для волновых функций, можно установить только вероятность тех или иных процессов. Например, вероятность обнаружить электрон в данном месте может оказаться в 10 раз больше вероятности его нахождения в другом месте. Однако предсказать его положение со стопроцентной достоверностью, как это было в классической механике, уже нельзя.

В зависимости от того, что и как измеряется в определенном состоянии частицы, на первый план выступают то ее корпускулярные свойства, то ее волновые свойства. Применение волновой функции позволяет описать как корпускулярные, так и волновые свойства микрочастиц.

Важнейшим физическим положением квантовой механики является знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому:

ни при каком увеличении точности измерений невозможно добиться того, чтобы произведение неопределенностей измерения координаты и импульса частицы стало меньше постоянной Планка.

Таким образом, в квантовой механике для системы, находящейся в некотором известном состоянии, можно предсказать результаты измерений либо ее положения, либо ее импульса по отдельности. Вероятностная интерпретация предсказывает, что измерения одинаковым детектором для одинаковых частиц в одинаковых состояниях одной и той же величины будут давать разные результаты. В частности, вероятность координаты определяется как .

Один из важнейших выводов квантовой механики состоит в том, что существует самый низкий уровень энергии, которому соответствует основное состояние системы. В этом состоянии система обладает минимальной кинетической энергией, причем ≠ 0.

Читайте также: