ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Волновые свойства материальных микрообъектов из "Общая и неорганическая химия" Современная теория строения атомов и молекул основана на законах, описывающих движение электронов и других частиц, обладающих весьма малой массой, - микрообъектов. Эти законы были окончательно сформулированы в 1925-1926 гг. Они резко отличаются от законов, определяющих движение больших тйл-макрообъектов, к которым принадлежат предметы, видимые в оптический микроскоп или невооруженным глазом. [c.18] В основе современной теории строения атомов лежит представление о двойственной природе микрообъектов - они могут проявлять себя как частицы и как волны, т. е. микрообъекты обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. [c.18] Фотоэффектом называется испускание электронов металлами и полупроводниками под действием света. Согласно волновой теории света энергия Е вылетающих электронов (фотоэлектронов) должна быть пропорциональна освещенности. Одиако опыт показывает, что энергия Е от освещенности не зависит. Оказалось, что максимальная энергия ютоэлектронов Емлкс выражается следующим уравнением (соотношение Эйнштейна). [c.18] Данное уравнение получается, если предположить, что фотон - частица, обладающая энергией которую она передает электрону в веществе. [c.19] Фотоэффект совершенно определенно указывает на корпускулярную природу излучения, а интерференция и дифракция столь же определенно свидетельствуют о волновой природе света. Отсюда следует вывод, что движение фотонов подчиняется особым законам, в которых сочетаются как корпускулярные, так и волновые характеристики. [c.19] соответствующие движущимся микрочастицам, получили название волн де Бройля. [c.19] Предположение де Бройля в дальнейшем подтвердилось. Было обнаружено явление дифракции электронов. При прохождении пучка электронов через дифракционную решетку на фотопластинке наблюдается такая же дифракционная картина, как и при прохождении излучения с длиной волны, равной значению Л, вычисленному по уравнению (1.23). В качестве дифракционной решетки можно использовать кристаллы металлов (атомы в кристаллах расположены в правильном порядке, образуя естественную дифракционную решетку). Впервые опыты, обнаружившие дифракцию электронов, были проведены в 1927 г. Девиссоном и Джермером (США). [c.19] В настоящее время дифракция электронов широко используется для изучения структуры веществ. Прибор для наблюдения этого явления - электронограф - стал обычным прибором в физико-химических лабораториях. Для структурных исследований применяется также дифракция нейтронов. Изучена дифракция атомов гелия, молекул водорода и других частиц. Таким образом, двойственная корпускулярно-волновая природа микрообъектов является надежно установленным фактом. [c.19] При прохождении потока электронов (или других микрочастиц) через дифракционную решетку интенсивность этого потока в одних направлениях увеличивается, а в других - уменьшается, что характерно для волн, длина волны которых соответствует уравнению де Бройля. Интенсивность потока электронов определяет вероятность попадания электрона в различные участки экрана, регистрирующего электроны. [c.20] Таким образом, распределение вероятности пребывания микрочастиц в пространстве описывается закономерностями, аналогичными закономерностям волнового движения. В этом проявляется корпускулярно-волновой дуализм. Волны де Бройля иногда называют волнами вероятности. [c.20] Уравнение де Бройля позволяет предсказывать результаты дифракции потока микрочастиц, обладающих постоянной кинетической энергией, когда скорость частиц, а следовательно, и длина волны де Бройля постоянны. Однако в атомах и молекулах потенциальная (и кинетическая) энергия электронов зависит от расстояния между частицами, и непосредственно использовать уравнение де Бройля в этих случаях нельзя требуется его обобщение, учитывающее указанное обстоятельство. Это было сделано квантовой механикой. [c.20] В отличие от теории строения атомов Бора-Зоммерфельда квантовая механика не является искусственным соединением законов классической механики с правилами квантования. Это стройная теория, основанная на системе понятий, не содержащей противоречий. Все результаты, полученные на основе квантовой механики, находятся в полном соответствии с экспериментом. [c.20] Переменная ф называется волновой функцией. Ее квадрат ф имеет определенный физический смысл произведение ф dv равно вероятности нахождения рассматриваемой частицы в элементе объема dv. Величину ф называют п.ютностью вероятности, или, если речь идет об электроне, электронной плотностью . [c.21] В соответствии с физическим смыслом волновой функции она должна быть конечной, непрерывной и однозначной, а также обращаться в нуль в тех местах пространства, где частица не может находиться. Например, для движущегося электрона в атоме функция ф должна становиться равной нулю на бесконечно большом расстоянии электрона от ядра. [c.21] На первый взгляд может показаться странным, что из одного уравнения (1.24) в принципе можно получить полную информацию о всех свойствах самых разнообразных атомов н молекул. Но это становится понятным, если учесть, что по существу уравнение Шредингера представляет обобщенную запись множества различных уравнений которые различаются выражением функции потенциальной энергии l/-/(j , , z). От выражения U зависят как метод решения уравнения, так и результат. Строгое аналитическое решение уравнения Шредингера возможно только для одноэлектронных систем. Для расчета более сложных квантовых систем применяют приближенные методы расчета с помощью ЭВМ. [c.22] Понятия квантовой механики резко отличаются от понятий классической механики. Квантова механика оперирует с вероятностями нахождения частиц, и ничего не говорит о траектории частицы, ее координатах и скорости в тот или иной момент времени эти понятия в квантовой механике не имеют смысла. Вместе с тем в ней сохраняют свое значение понятия массы, энергии и момента импульса частицы. Так как представление о движении в квантовой механике резко отличается от классического, часто вместо выражения движение электрона (в атоме, молекуле и т. д.) употребляют термин состояние электрона. [c.22] Поскольку величина Л, входящая в соотношение неопределенностей, очень мала, для макрообъектов неопределенности в значении координаты и импульса чрезвычайно малы (обусловленные ими э екты не могут быть обнаружены никакими приборами). При описании движения макрообъектов следует рассматривать их точную траекторию и пользоваться законами классической механики. [c.22] Вернуться к основной статье