Femtotechnologies. step i atom hydrogen. alexander ilyanokAlexander Ilyanok
It is considered unpromising today to study huge interval between nucleus and atom external shell, so called femtoregion, spread from nanometers to femtometers. But without knowledge of atoms spatial structure and their fields it is impossible to construct molecules correctly, and to build nanoobjects further. Femtotechnologies have to lay down in a theoretical basis of nanotechnologies without which development of applied researches is impossible.
In work the femtoregion of the simplyest element, atom of hydrogen, is considered. It is shown that the electron in atom of hydrogen has the difficult spatial structure taking which into account allows to specify fundamental constants, such as a constant of thin structure, the speed of light, Bohr radius of an electron. It is shown that on the basis of these constants it is possible to construct the fundamental scales scaling both internal and external fields of atoms. It allows to formulate macroquantum laws that govern the Universe. It means that without research atoms femtoregion it is impossible to eliminate an abyss which arose between gravitation and electromagnetism. It is shown that our model removes a number of theoretical contradictions and is perfectly confirmed by the last astrophysical experiments.
Femtotechnologies. step i atom hydrogen. alexander ilyanokAlexander Ilyanok
It is considered unpromising today to study huge interval between nucleus and atom external shell, so called femtoregion, spread from nanometers to femtometers. But without knowledge of atoms spatial structure and their fields it is impossible to construct molecules correctly, and to build nanoobjects further. Femtotechnologies have to lay down in a theoretical basis of nanotechnologies without which development of applied researches is impossible.
In work the femtoregion of the simplyest element, atom of hydrogen, is considered. It is shown that the electron in atom of hydrogen has the difficult spatial structure taking which into account allows to specify fundamental constants, such as a constant of thin structure, the speed of light, Bohr radius of an electron. It is shown that on the basis of these constants it is possible to construct the fundamental scales scaling both internal and external fields of atoms. It allows to formulate macroquantum laws that govern the Universe. It means that without research atoms femtoregion it is impossible to eliminate an abyss which arose between gravitation and electromagnetism. It is shown that our model removes a number of theoretical contradictions and is perfectly confirmed by the last astrophysical experiments.
2. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА
ШРЕДИНГЕР (1926) – волновое
уравнение
ФАРАДЕЙ (30-е годы XIX в) –
существование единичных зарядов
БЕККЕРЕЛЬ (1896) – радиоактивность
П.КЮРИ и М.СКЛОДОВСКАЯ (1898)
– открытие Ra, Po
РЕЗЕРФОРД (1909-1911) – планетарная
модель строения атома
БОР (1913) – квантовая теория
атома;
ДЕ БРОЙЛЬ (1924)– волновая природа
электрона
ГЕЙЗЕНБЕРГ (1927) – принцип
неопределенности
3. е
Открытие элементарных частиц
р
n
Дж.Дж.Томсон
1897
Р.Милликен
1913
открыл электрон при
исследовании катодных лучей
точно измерил заряд
электрона
Э. Резерфорд
1919
выделил протон в
эксперименте с
бомбардировкой α-
частицами ядра азота
Д. Чедвиг
1932
открыл нейтрон в
эксперименте с
бомбардировкой бериллия α-
частицами
5. Развитие теории строения атома
Атом - мельчайшая частица элемента
Электрон ( е ) - элементарная частица, обладающая
наименьшим существующим в природе отрицательным
электрическим зарядом, равным -1,602 10-19 Кл.
Масса электрона - 9,1 10-28 г, что почти в 2000 раз
меньше массы атома водорода (или протона)
Масса протона - 1,67 · 10-24 г
Диаметр атома - 10-8 см
Диаметр ядра атома - 10-13 - 10-12 см
7. Планетарная модель атома
Число протонов = число электронов =
Z (порядковый номер элемента )
Ar = Z + N
Ядро атома: протоны + нейтроны
(нуклоны)
Число нуклонов – Ar ( массовое число)
Число нейтронов - N
Li7
3 Z = 3
N = 7 - 3 = 4
Аr = 7
ПРИМЕР.
8. НУКЛИДЫ – различные виды атомов
Ar , Z , N
ИЗОТОПЫ – нуклиды с одинаковым значением Z ,
но разными Ar (N)
ПРИМЕР.35
17Cl и 37
17Cl изотопы хлора
ИЗОБАРЫ – нуклиды с одинаковым Ar ,
но разными Z(N)
ПРИМЕР. 40
19K и 40
20 Ca изобары
9.
10. Модель атома Бора (1913)
1. Электроны в атоме вращаются не по
произвольным, а по строго определенным
круговым орбитам. Эти орбиты получили
название стационарных.
2. При движении по стационарным орбитам
электрон не поглощает и не излучает энергии.
3. Энергия излучается или поглощается только при
переходе электрона с одной орбиты на другую
определенными порциями – квантами.
Нильс Бор
11. Е = Е2 – Е1 = h
Е1
Е2
е - частота излучения
h = 6,62·10-34 Дж·с
постоянная Планка
Н.Бор рассчитал частоты спектра
для атома водорода и они совпали
с экспериментом !
14. Три принципа квантовой механики
1. Дискретность или квантование
энергии
2. Корпускулярно-волновой дуализм
3. Вероятностный характер законов
микромира
15. ДВОЙСТВЕННОСТЬ ПРИРОДЫ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1. Эл-маг. излучение - ВОЛНА
λ - длина волны;
с
ν - частота колебаний,с -1
с =300 000 км/с – скорость света
Е = hν - уравнение Планка
2.Эл-маг. излучение – ПОТОК МИКРОЧАСТИЦ
(фотонов)
Е = mc2 – уравнение Эйнштейна mc
h
16. Луи де Бройль
Луи де Бройль (1924):
Все частицы микромира обладают
двойственной корпускулярно-волновой
природой.
m
h
- уравнение де Бройля
m – масса частицы
υ - скорость частицы
rат.ядра~ 10-13 см
λē ~ 10-7 см
m = 1 г
υ = 1000 м/с
Для электрона:
λ ~ 7·10-12 пм
Для частицы:
(измерить
невозможно)
20. Следствия, вытекающие из
принципа неопределѐнности :
1). Движение электрона в атоме – движение
без траектории.
Понятие траектории заменяет
волновая функция Ψ = Ψ(х,у,z) (“пси” -
функция).
2). Электрон в атоме не может упасть на
ядро.
21. Волновое уравнение Шрёдингера
• Е и Еп – полная и потенциальная
энергия ē
• me – масса электрона
• 2 – оператор Лапласа
• y – волновая функция
Точное решение уравнения Шредингера
существует только для атомов H, He+, Li2+
0)ЕE(
h
m8
п2
e
2
2
y
y
Эрвин Шрѐдингер
22. y1 y2 y3 y4 … – волновые функции
Е1 Е2 Е3 Е4 … – дискретные значения энергии
Атомная орбиталь – это область
пространства вокруг ядра, которая
описывается волновой функцией y
Вероятность пребывания электрона в этой
области более 90%
АО не имеет четких границ из-за волновой
природы электрона
Атомная орбиталь (АО)
23. Атомная орбиталь (АО)
– это способ движения электрона в атоме,
которому отвечает определенная энергия,
а также форма
и размер электронного облака
АО можно описать
с помощью трех квантовых чисел:
n, l, ml
25. Характеризует энергию и размеры АО
n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 …
K L M N O P Q
всего значений
2n2 2 8 18 32 50 72 98
Для невозбужденных атомов n = 1, 2 ... 7
совпадает с номером периода
n – главное квантовое число
26. (азимутальное, побочное)
Характеризует форму орбитали и
энергию подуровня
Для каждого n:
l = 0 1 2 3 4 … (n – 1)
всего значений n
s p d f g
Число подуровней равно
номеру энергетического уровня n
l – орбитальное квантовое число
28. Характеризует ориентацию орбитали
в пространстве
Для каждого l:
ml = –l … 0 …+l всего значений 2l+1
ml – магнитное квантовое число
l ml Число орбиталей
0(s) 0 1
1(p) -1, 0, +1 3
2(d) -2, -1, 0, +1, +2 5
3(f) -3, -2, -1, 0, +1,+2, +3 7
29. Характеризует квантовые свойства
электрона
Спин – это собственный момент импульса
электрона, не связанный с его движением
в пространстве. Спин равен ½.
Спиновое квантовое число (проекция спина
на ось z) может иметь 2 значения:
s = –½ s = +½
s – спиновое квантовое число
35. Порядок заполнения электронами одной АО
В атоме не может быть двух
электронов, имеющих одинаковый
набор всех четырех квантовых чисел
АО
s
1. Принцип Паули
2
1
2
1
36. Порядок заполнения электронами орбиталей
одного подуровня
Электроны заполняют орбитали
одного подуровня так, чтобы их
суммарный спин был максимален
соответствует
правилу Хунда
2. Правило Хунда
2
1
2
1
2
3
37. Порядок заполнения электронами подуровней
В атоме каждый электрон располагается
так, чтобы его энергия была минимальна
Энергия электрона зависит от n и l
Правило Клечковского:
Сначала электроны заполняют подуровни, где
n + l минимальна, а затем, где n – минимально
4s < 3d < 4p
3. Принцип минимальной энергии
3d 4s 4p
n 3 4 4
l 2 0 1
n + l 5 4 5
Пример
40. Определить, какие электроны
характеризуются следующими значениями
квантовых чисел:
Примеры
1. n = 3
l = 1
m = -1,0,1
s = ½
3p
m -1 0 1
2. n = 2
l = 0
m = 0
s = ±½
2s
m 0
3. n = 4
l = 2
m = -2,-1,0
s = ½
4d
m -2 -1 0
3p3 2s2 4d3
41. 1. Электроны образуют квантовые слои
(энергетические уровни) K, L, M, N …,
объединяющие электроны с близкой энергией
2. Квантовые слои состоят из подслоев
(подуровней) объединяющих электроны
одинаковой формы (s, p, d …)
3. Подслои состоят из орбиталей одинаковой
формы, но разной ориентации в пространстве
4. На каждой орбитали может быть два
электрона с разными спиновыми числами
Принципы формирования
электронной оболочки атома
51. 19K [Ar]4s1
20Ca [Ar]3s2
21Sc [Ar]3d14s2
22Ti [Ar]3d24s2
23V [Ar]3d34s2
24Cr [Ar]3d54s1
Большие периоды (4, 5, 6, 7)
4 период – 18 элементов
n = 4
K: 1s22s22p63s23p64s1
[Ar ]
3d 4s
52. Подуровень сообщает атому дополнительную
устойчивость, если он:
a) пуст
b) заполнен наполовину
c) заполнен полностью
d – подуровень: d0, d5, d10
(n-1)d4ns2
(n-1)d9ns2
(n-1)d5ns1
Cr, Mo
(n-1)d10ns1
Cu, Ag, Au
проскок
электрона
58. Свойства простых веществ,
а также их соединений
находятся в периодической
зависимости от зарядов их ядер
Периодический закон
Д.И. Менделеева (1869)
61. • Период – горизонтальная последовательность
элементов, которая начинается щелочным
металлом и заканчивается благородным
газом
▫ n – № периода
▫ число периодов: 7
• Группа – вертикальная совокупность
элементов, имеющих сходную электронную
конфигурацию.
▫ число групп: 8
▫ главная подгруппа (А)
▫ побочная подгруппа (В)
Элемент (период, группа)
64. s- элементы
Последним заполняется s – подуровень
На внешнем
электронном уровне
1 или 2 s – электрона
с предшествующей
конфигурацией
благородного газа
IA и IIA подгруппы:
щелочные и щелочно-земельные металлы
65. р - элементы
Последним заполняется р - подуровень
На внешнем
электронном уровне
2 s-электрона
и от 1 до 6 р-
электронов
IIIA – VIIIA подгруппы:
все неметаллы (O, Si, Hal),
некоторые металлы (Sn, Al)
и благородные газы (Kr, Ar, Ne и др.)
66. d- элементы
Последним заполняется предвнешний d - подуровень
На предвнешнем
электронном уровне
от 1 до 10 d – электронов,
на внешнем
электронном уровне
2 (реже 1) s - электрона
IB – VIIIB подгруппы
Металлы: Fe, Cu, Pt, …
67. f - элементы
Последним заполняется f – подуровень третьего
снаружи электронного уровня.
На глубинном подуровне
от 1 до 14 f – электронов,
на внешнем электронном
уровне – 2 s –электрона.
Всего 28 элементов:
14 - лантаноиды и
14 - актиноиды
68. Главная (А)
Включает s- и
p- элементы
Включает d- и
f- элементы
№ группы
определяется
суммой внешних
s- и p- электронов
35Br[Ar]3d104s24p5
VIIA
№ группы определяется
суммой внешних s- и
предвнешних d- электронов
Побочная (В)
если ∑(ns-ē+(n-1)d-ē) = 8, 9, 10 VIIIB
Исключения:
если ∑(ns-ē+(n-1)d-ē) = 11, 12 IB, IIB
21Sc[Ar]3d14s2
29Cu[Ar]3d104s1- IIIB - IB
Подгруппы
75. СЭ
3. Сродство к электрону (СЭ)
F + ē → F¯, СЭ = + 3,5 эВ
• СЭmax – у атомов галогенов
• СЭметаллов близко к 0 или отрицательно
• СЭ известно не для всех элементов
76. 4. Электроотрицательность
неметаллы Se и Te металлы Li и Cs
• ЭОSe = 2,4
• ЭОТе = 2,1
• ЭОLi = 1,0
• ЭОCs = 0,8
• ЭО – величина безразмерная
• ЭО < 2 – металлы
• ЭО > 2 - неметаллы
– более
активный
– более
активный
77. ЭО = 1/2 (ЭИ + СЭ)
Шкала Малликена
ЭО
Li F
1,0 4,1
Cs
0,8
84. Высшая степень окисления (СО)
• Высшая СО = № группы
• Низшая СО = (№ группы – 8)
• В периоде высшая СО растет
A подгруппы B
Становятся
более
устойчивыми
низкие СО
Становятся
более
устойчивыми
высокие СО
85. Исключения
• F (VIIA гр.) не проявляет СО = +VII
• Fe, Co, Ni (VIIIB гр.) не проявляют
СО = +VIII
• Au (IB гр.) чаще всего проявляет
СО = +III
• Сu (IB гр.) чаще всего проявляет
СО = +II