Budowa atomu i elementy mechaniki kwantowej

Poglądy historyczne na budowę atomu:
a) teoria żywiołów w starożytności (zakładała ona wzajemne oddziaływanie czterech żywiołów – ognia, powietrza, wody i ziemi), czyli pierwiastków materii. Każdy z nich miał dwie charakterystyczne cechy – był suchy lub mokry oraz gorący lub zimny)
b) prace Daltona i hipoteza atomistyczna (początek XIX w.; założenia hipotezy atomistycznej - w prosty sposób wyjaśniały one podstawowe, udowodnione doświadczalnie prawa chemiczne. Mówiły one, że: materia składa się z atomów pierwiastków różniących się masą, rozmiarami i właściwościami; atomy danego pierwiastka chemicznego są jednakowe i mają kształt kuli; atomy są niepodzielne; atomy łączą się i tworzą cząsteczki)
c) odkrycie elektronów (Thomson, koniec XIX w.; odkrył istnienie ujemnie naładowanych cząstek, mniejszych od atomu – nazwano je elektronami. Według tej teorii atom to przestrzennie ciągły ładunek dodatni, w którym tkwią punktowe ładunki ujemne - elektrony)

Planetarny model atomu:
a) Rutherford
b) prace Bohra:
- kwant energii - jest to najmniejsza porcja energii, jaką atom może jednorazowo emitować lub absorbować.
- adsorpcja - jest to proces pochłaniania energii z zewnątrz na skutek czego następuje przeskok elektronu z orbity podstawowej (stacjonarnej) na inną.
- emisja - jest to oddawanie energii, która wiąże się z przeskokiem elektronu na orbitę bliżej.

Kwarki - to najprostsze elementy budowy materii o ułamkowym ładunku elektrycznym.


ELEMENTY MECHANIKI KWANTOWEJ

Elektron zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej jest jednocześnie cząstką materialną i falą.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga:
Nie jest możliwe wyobrażenie sobie elektronu jako punktu materialnego krążącego po ustalonej orbicie wokół jądra, ani jednoczesne, dokładne wyznaczenie położenia i pędu elektronu w atomie.

Można określić prawdopodobieństwo znalezienie elektronu w wybranym obszarze wokół jądra w określonym czasie.

Orbitale atomowe czyli funkcja falowa Ψ (psi) opisuje stan energetyczny elektronu w atomie, a jej kwadrat określa prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w atomie.

Orbitale mogą przyjmować różne kształty: s, p, d, f, g.
a) orbital atomowy s ma kształt kulisty i odpowiada najniższemu poziomowi energetycznemu elektronów w atomie.
b) orbitali atomowych p na danym poziomie energetycznym mogą być 3. Kształtem przypominają one bryły powstałe przez obrót ósemek i ułożone są wzdłuż osi w przestrzeni.
c) Orbitali atomowych d jest 5, a f 7. Mają one bardziej skomplikowane formy.

LICZBY KWANTOWE:
zespół czterech liczb kwantowych opisuje stan energetyczny każdego elektronu w atomie lub jonu.
n - główna liczba kwantowa
l - poboczna liczba kwantowa
m - magnetyczna liczba kwantowa
ms - magnetyczna spinowa liczba kwantowa

a) główna liczba kwantowa n:
opisuje ogólny stan energetyczny elektronu w atomie, przyjmuje wartości kolejnych liczb całkowitych odpowiadających powłokom elektronowym K, L, M, itd.
Wszystkie stany kwantowe o tej samej liczbie n tworzą powłokę elektronową.

b) poboczna (orbitalna) liczba kwantowa l:
określa kształt orbitali atomowych, przyjmuje wartości liczb całkowitych w zakresie od zera do n-1.
Stany kwantowe o tej samej wartości n i l tworzą podpowłoki elektronowe. Odpowiadają im oznaczenia literowe s, p, d, f.

c) magnetyczna liczba kwantowa m:
określa liczbę poziomów orbitalnych związanych z ułożeniem orbitali atomowych pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego i przyjmuje wartości liczb całkowitych zawartych w przedziale od -l do l.
Stany kwantowe o tych samych wartościach l, m, n tworzą poziom orbitalny.

d) magnetyczna spinowa liczba kwantowa ms:
określa tzw. spin, czyli własny moment pędu elektronu i przyjmuje jedną z dwóch alternatywnych wielkości 1/2 lub -1/2.

Zakaz Pauliego:
W atomie lub jonie nie mogą znajdować się 2 elektrony o identycznych wartościach liczb kwantowych.