Атомы и молекулы - доклад

Спин. Принцип запрета Паули.

Строение и характеристики атома могут быть объяснены, исходя их обсуждавшихся первопринципов квантовой механики, дополненных еще 2-мя утверждениями:

1. Кроме 3-х “традиционных” степеней свободы, связанных с описанием положения частички в пространстве (имеется в виду нерелятивистское описание), электрон обладает дополнительной “внутренней” степенью свободы, именуемой спином. Соответственная спину 4-ая координата Атомы и молекулы - доклад может принимать только два дискретных значения, которые комфортно считать равными +1/2 и -1/2 (полностью допустимы и другие терминологии для обозначения 2-ух базовых состояний: “спин ввысь” и “спин вниз”, “вращение на право” и “вращение на лево”, и , т.д.).

2. Для электронов строго производится принцип запрета Паули, согласно которому нереально существование 2-ух электронов Атомы и молекулы - доклад в схожих квантовомеханических состояниях.

В предстоящем будет дискуссироваться вопрос о глубочайшей внутренней связи меж этими 2-мя утверждениями.

Атом водорода. Вырождение энергетических уровней.

Наличие у нерелятивистского электрона 4 степеней свободы просит задания его состояния с помощью 4 характеристик. Для описания положения электрона в пространстве комфортно использовать полярную систему координат с началом Атомы и молекулы - доклад отсчета, совмещенным с ядром атома (рис. 21_1). Надлежащие базовые состояния комфортно обозначать как . Сохраняющиеся во времени состояния, получаемые в итоге решения стационарного уравнения Шредингера, соответствуют определенным значениям энергии, момента импульса, проекции момента на ось z и одному из 2-ух вероятных значений спиновой переменной: . Принимающие дискретный набор значений характеристики, характеризующих стационарное Атомы и молекулы - доклад состояние, именуются квантовыми числами. Главное квантовое число n определяет энергию электрона в стационарном состоянии:

(1) .

( Ry=13.6 эВ - “неизменная Ритберга”). Азимутальное квантовое число l определяет величину момента импульса , обусловленного орбитальным движением электрона:

(2)

Магнитное квантовое число m определяет пространственную ориентацию момента импульса (поточнее величину его проекции на произвольно данное направление в пространстве Атомы и молекулы - доклад; проекции на другие направления в стационарном состоянии не определены):

(3) .

В согласовании с общими правилами квантовой механики возможность обнаружения в избранной точке места электрона, находящегося в стационарном состоянии дается квадратом модуля шредингеровской волновой функции. Математические характеристики уравнения Шредингера для рассматриваемой системы позволяют представить волновую функцию как произведение 2-ух, зависящих только от Атомы и молекулы - доклад расстояния и только от углов соответственно.

(4)

Как видно, есть наборы различающихся друг от друга состояний, владеющих схожей энергией. Надлежащие им энерго уровни именуются вырожденными. В квантовой механике показывается, что вырождение уровней является следствием наличия у системы симметрии. Уровни атома водорода очень вырождены из-за высочайшей симметрии электронного поля, создаваемого фактически Атомы и молекулы - доклад точечным ядром.

Неувязка описания многоэлектронных атомов. Стационарная теория возмущений. Задачка описания квантовомеханических систем, содержащих несколько микрообъектов до сего времени не решена в общем виде. Реальные расчеты проводятся по способу поочередных приближений, в рамках которого осуществляется поэтапный учет имеющихся в атоме взаимодействий по мере убывания их интенсивности. Приближенное решение Атомы и молекулы - доклад, приобретенное на определенным шаге является основой для следующего уточнения вида оператора Гамильтона и соответственных ему собственных волновых функций. Математическая реализация описанной процедуры в квантовой механике получила заглавие теории возмущений.

В текущее время насыщенное развитие вычислительной техники сделало вероятным другого, более четкого способа численных расчетов многоэлектронных атомов, основанного на использовании экстремальных принципов Атомы и молекулы - доклад квантовой механики - способа Хартри и Фока. Для сложных атомов воплощение такового подхода просит использования фактически предельных способностей современной вычислительной техники.

Нулевое приближение теории возмущений: Повторяющаяся Система Частей. В рамках нулевого (самого грубого) приближения теории возмущений учитывается только взаимодействие электронов с ядром и запрет на их эквивалентные состояния, налагаемый принципом Атомы и молекулы - доклад Паули. При всем этом разрешенные для электронов состояния водородоподобны.

Число электронов в нейтральном атоме, очевидно, должно приравниваться порядковому номеру элемента, определяемому зарядом ядра. Наполнение “свободных” мест на энергетических уровнях электронами “регламентируется” рвением атома (как и хоть какой другой системы) к минимуму энергии и запретом Паули, допускающим нахождение менее Атомы и молекулы - доклад 1-го электрона в каждом из состояний . С учетом соотношений меж квантовыми числами просто получить, что на всех состояниях уровня с n=1 может находиться 2 s-электрона, на n=2 - 8 электронов (2 в s-состоянии и 6 p-электронов), группа состояний с n=3 кроме s и p имеют d-оболочку, суммарное число Атомы и молекулы - доклад электронов оказывается равным 18). Находящиеся на верхнем энергетическом уровне электроны менее очень связаны с ядром и легче отзываются на наружные воздействия (к примеру, при передаче энергии к атому эти электроны легче возбуждаются, переходя на более высочайшие свободные энерго уровни). Конкретно эти валентные электроны способны участвовать в обменных взаимодействиях, схожих приводящему к образованию Атомы и молекулы - доклад молекулярного иона водорода. Так как число валентных электронов на верхнем уровне по мере роста заряда ядра временами меняется от 1 до наибольшего значения, хим характеристики частей так же обнаруживают повторяющиеся конфигурации.

Отлично понятно, что обозначенная закономерность, носящая базовый нрав для химии была в первый раз увидена Д.И Атомы и молекулы - доклад.Менделеевым за длительное время до сотворения квантовой механики. Отысканный им имперический закон позволил предсказать характеристики ряда неведомых в то время частей, все из которых потом были обнаружены. Квантовомеханическая теория сделала Повторяющийся закон обычным математическим следствием уравнения Шредингера, записываемого в очень грубом приближении, вскрыв смысл составляющих таблицу периодов и групп. Принадлежность Атомы и молекулы - доклад элемента к тому либо иному периоду определяется основным квантовым числом его заполняемого верхнего уровня. Определяющий наивысшую валентность номер группы задается числом электронов на верхнем уровне. Количество частей в периоде приравнивается кратности вырождения соответственного энергетического уровня. С другой стороны, разъяснение Повторяющегося Закона было огромным фуррором квантовой механики, значительно упрочнившей позиции этой “необычной Атомы и молекулы - доклад теории”, сделавшей наше современное мировоззрение таким, как оно есть.

1-ое приближение: термы. В рамках первой поправки к результатам расчетов многоэлектронных атомов учитывается электростатическое отталкивание электронов и специфичное воздействие принципа Паули, запрещающее двум электронам в схожих спиновых состояниях находиться в близких точках места. 1-ый эффект приводит к возникновению зависимости Атомы и молекулы - доклад энергии уровней от азимутальных квантовых чисел ( несферическое рассредотачивание электрической плотности в пространстве усугубляет симметрию создаваемого ядром поля и отчасти снимает вырождение энергетических уровней ). 2-ой эффект обуславливает зависимость энергии уровня от обоюдного направления спинов электронов наружных энергетических оболочек. Возникающие в рамках этого приближения стационарные состояния получили заглавие термов Атомы и молекулы - доклад. Приводящее к появлению термов приближение нужно учесть при интерпритации спектров излучения и поглощения света атомами и при анализе тонких хим эффектов, к примеру, связанных с явлением направленной валентности.

2-ое приближение: узкая структура термов. Детализированный анализ спектральных линий показал, что в ряде всевозможных случаев они оказываются двойными (“дуплеты”), тройными (“триплеты Атомы и молекулы - доклад”) и т.д. Это наводило на идея о энергетическом расщеплении неких термов на ряд близко расположенных компонент. Предпосылкой возникновения таковой узкой структуры являются дополнительные и очень слабенькие взаимодействия обусловленных спином магнитных полей электронов с передвигающимся относительно их ядром (“спин-орбитальное взаимодействие”), с другими передвигающимися электронами (“взаимодействие спин - чужая орбита”) и со Атомы и молекулы - доклад спиновыми магнитными полями других электронов (“спин-спиновое взаимодействие”) и специальные релятивистские эффекты (к примеру, зависимость массы электрона от скорости). Результаты расчетов (носящих приемущественно теоретический энтузиазм и являющихся типичным тестом нашего осознания строения атома) вполне совпадают с данными спектроскопических измерений.

Последующее приближение: сверх-тонкая структура. Очень трудозатратные спектроскопические исследования с Атомы и молекулы - доклад внедрением интерференционной техники высочайшего разрешения демонстрируют наличие слабенького расщепление компонент узкой в подуровни сверх-тонкой структуры. Предпосылкой ее возникновения является взаимодействие очень слабенького магнитного поля атомного ядра (обусловленного движением в нем заряженных протонов и наличием спина у всех нуклонов) с передвигающимися электронами, а так же движение ядра и конечность Атомы и молекулы - доклад его размеров. Исследование сверх-тонкой структуры спектральных линий позволяет относительно недорого получить экспериментальную информацию о стуктуре атомного ядра и протекающих в нем процессах (описанный способ является типичным нарушением принципов традиционной оптики, ограничивающих возможность получения оптической инфы об объектах, размеры которых значительно меньше длины волны).

В простом случае атома водорода Атомы и молекулы - доклад сверх-тонкая структура уровней может быть рассчитана в рамках квантовой механики полностью точно. Вызванное перечисленными эффектами сверх-тонкое расщепление нижнего энергетического уровня водорода имеет величину, подобающую длине волны радиоизлучения в 21 см. Конкретно это значение было применено в качестве масштаба расстояний в галлактическом послании к внеземным цивилизациям, помещенном на межпланетную Атомы и молекулы - доклад галлактическую станцию Пионер.

Еще больше тонкие исследования диапазона атома водорода проявили наличие у него маленького сдвигя вниз уровней, соответственных s-состояниям, который не укладывается в рамки “традиционной квантовой механики” (так именуемый Лэмбовский сдвиг). По современным представлениям он мжет быть объяснен только в рамках последующей за квантовой механикой более общей Атомы и молекулы - доклад теории - квантовой электродинамики.

Излучение и поглощение света атомами. Переходы меж стационарными состояниями атома вероятны при наличии наружного воздействия, зависящего от времени. Таким может быть изменяющееся электрическое поле световой волны. Обязанные либо индуцированные переходы могут происходить как с излучением, так и с поглощением энергии (обычно в виде 1-го фотона). Возможность таких Атомы и молекулы - доклад переходов пропорциональна интенсивности электрического излучения на частоте, совпадающей с энергией перехода. В случае отсутствия наружного электрического поля переходы меж стационарными состояниями атомов в рамках квантовой теории невозможны, так как нет возмущения, их вызывающих. Но, опыт указывает, что в описанной ситуации вероятны спонтанные переходы на нижние энерго уровни Атомы и молекулы - доклад с излучением света В традиционную квантовую теорию возможность таких переходов приходится вводить как дополнительный принцип, а их возможность определять, исходя из вероятности принужденных переходов и требования способности термодинамического равновесия атомов с полем.

Аппарат квантовой механики позволяет высчитать возможность вызванных воздействием на атом наружным электрическим полем индуцированных переходов, сопровождающихся Атомы и молекулы - доклад излучением и поглощением света. Соответственный математический аппарат носит заглавие нестационарной теории возмущений и учитывает воздействие наружного поля в рамках осуждавшегося способа поочередных приближений. Обычно расчеты ведутся в первом приближении, дающем выражение для вероятности перехода в единицу времени, зависящее от специфичности начального и конечного уровней и типа излучаемого фотона:

(5)

(наличие дельта Атомы и молекулы - доклад функции является математическим выражением выполнения закона сохранения энергии при излучении и поглощении фотонов).

В случаях, когда возможность переходов в первом приближении по каким-то суждениям (в большинстве случаев вследствие законов сохранения) оказывается малой (“переход оптически запрещен”)

приходится учесть последующих приближения. Так во 2-м порядке теории возмущений возможность перехода зависит не только Атомы и молекулы - доклад лишь от черт исходного и конечного уровня перехода, да и от всех других стационарных состояний:

(6)

Почти всегда в сумме ославляется маленькое число слагаемых, дающих главный вклад в амплитуду перехода. Некая схожесть выражений для амплитуд в первом и втором порядках позволила гласить о (6) как о переходе через виртуальный Атомы и молекулы - доклад промежный уровень. Этот термин носит чисто формальный нрав: в промежуточное состояние система реально не перебегает: для этого состояния даже не производится закон сохранения энергии. Тем ни наименее концепция виртуальных состояний обширно употребляется из-за собственной наглядности.

Двухатомные молекулы. Простейшей двухатомной молекулой является молекула водорода, владеющая 2-мя эквиволентными состояниями, отличающимися друг Атомы и молекулы - доклад от друга перестановкой электронов . Механизм появления хим связи аналогичен рассмотренному для иона водорода с той только различием, что запрет Паули просит нахождения электронов в разных квантовомеханических состояниях. Из-за этого связанное состояние молекулы появляется исключительно в случае обратно направленных спинов электронов (в печати не так давно появилось Атомы и молекулы - доклад сообщение о уникальном опыте по получению макроскопических порций атомарного водорода, неспособного соединяться в молекулы из-за того, что все атомы содержали электроны с схожим направлением спина). Механизм появления ковалентной связи в различных хим соединениях аналогичен.

Оптические диапазоны молекул более богаты, чем атомные, что с одной стороны связано с наименьшей Атомы и молекулы - доклад симметрией системы и с возникновением способности новых форм движения (колебаний и вращений ядер) с другой. Суммарная энергия молекулы складывается из 3-х значительно различающихся по порядку величины составляющих: энергия электрической оболочки (соответствующие разности меж энергиями стационарных состояний соответствуют оптическому либо уф-излучению), энергия колебания ядер (соответствует инфракрасной части диапазона) и энергия вращения молекулы Атомы и молекулы - доклад как целого (радиочастотный диапозон). В итоге заместо соответствующих для излучения атомов линейчатых спектров молекулы дают полосатые диапазоны, состоящие из огромного числа близлежащих линий.

Квантовомеханические расчеты двухатомных молекул оказываются значительно более трудозатратными, чем расчеты для атомов и кроме маленького числа простых хим соединений пока носят уникальный нрав.

Трехатомные Атомы и молекулы - доклад и многоатомные молекулы исходя из убеждений квантовой механики являются очень сложными системами, фактически не поддающимися расчетам с классической для атомно-молекулярной физики точностью. Рассмотрениетаких систем обучно носит полу- высококачественный нрав и сводится к анализу параметров их симметрии (теория групп), на базе которого делается выводы о структуре системы энергетических уровней. По Атомы и молекулы - доклад-водимому, сложность таких систем делает их объектом исследования естественных наук более высочайшего уровня: химии и молекулярной биологии.



atlantida-ranee-50-tisyach-let-do-n-e.html
atlantida-v-brazilii-poslednee-pushestvie-polkovnika-fosetta-statya.html
atlantida.html