Квантование энергии электрона в атоме

Некоторые физические величины, относящиеся к микрообъектам, изменяются не непрерывно, а скачкообразно. О величинах, которые могут принимать только вполне определенные, то есть дискретные значения (латинское "дискретус" означает разделенный, прерывистый), говорят, что они квантуются.

 

В 1900 г. немецкий физик М. Планк, изучавший тепловое излучение твердых тел, пришел к выводу, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций - квантов - энергии. Значение одного кванта энергии равно

 

ΔE = hν,

 

где ΔE - энергия кванта, Дж; ν - частота, с-1; h - постоянная Планка (одна из фундаментальных постоянных природы), равная 6,626·10−34 Дж·с.

Кванты энергии впоследствии назвали фотонами.

 

Идея о квантовании энергии позволила объяснить происхождение линейчатых атомных спектров, состоящих из набора линий, объединенных в серии.

 

 

Первая квантовая теория строения атома была предложена Н. Бором. Он считал, что в изолированном атоме электроны двигаются по круговым стационарным орбитам, находясь на которых, они не излучают и не поглощают энергию. Каждой такой орбите отвечает дискретное значение энергии.

Переход электрона из одного стационарного состояния в другое сопровождается излучением кванта электромагнитного излучения, частота которого равна

 

ν = ΔE / h,

 

где ΔE - разность энергий начального и конечного состояний электрона, h - постоянная Планка.

 

 

Дискретность энергии электрона является важнейшим принципом квантовой механики. Электроны в атоме могут иметь лишь строго определенные значения энергии. Им разрешен переход с одного уровня энергии на другой, а промежуточные состояния запрещены.

Вопрос 75. Спин, собственные механический и магнитный моменты электрона. Опыты Штерна – Герлаха.

 

Электрон обладает собственным неуничтожимым механическим моментом импульса, не связанным с движением электрона в пространстве, - спином.

Спин был обнаружен в экспериментах Штерна и Герлаха при прохождении узкого пучка атомов водорода, находящихся в s-состоянии через сильное неоднородное магнитное поле. В этом состоянии l=0, момент импульса L₀=ћ =0 и магнитное поле не должно было влиять на движение атомов. Однако пучок атомов расщеплялся на два пучка, следовательно, было обнаружено пространственное квантование механического момента, не связанного с орбитальным движением электрона.

Часто спин электрона наглядно представляют, как момент импульса, связанный с вращением электрона – твердого шарика – вокруг своей оси, но такая модель приводит к абсурдному результату – линейная скорость на поверхности электрона в 200 раз превышает скорость света. Поэтому следует рассматривать спин электрона (и всех других микрочастиц) как внутреннее неотъемлемое квантовое свойство микрочастицы: подобно тому, как частицы имеют массу, а заряженные частицы – заряд, они имеют еще и спин.

Спин L_S (вектор), как механический момент, квантуется по закону L_S=ћ , где s – спиновое квантовое число. Проекция L_SZ спина квантуется так, что вектор L_S может принимать 2s+1 ориентаций. Так как опыты Штерна и Герлаха обнаружили только две ориентации спина, то 2s+1=2, откуда: s=1/2. Проекция L_SZ=ћm_S, где m_S- магнитное спиновое квантовое число, которое может иметь только два значения: ±1/2. Таким образом, состояние электрона в атоме определяется набором четырех квантовых чисел: главного n (1,2,3,…), орбитального l (0,1,2,…,n-1), магнитного m (-l,…,-1,0,1,…,l), магнитного спинового m_S (+1/2,-1/2)

 

Вопрос 76. Квантовые системы из одинаковых микрочастиц. Принцип неразличимости тождественных частиц. Бозоны и фермионы Принцип Паули.

В квантовой физике частицы, имеющие одинаковые физические свойства – массу, электрический заряд, спин и т.д. являются тождественными.

Принцип неразличимости тождественных частиц: тождественные частицы экспериментально различить невозможно.

Этот фундаментальный принцип квантовой физики не имеет аналога в классической физике. В классической механике одинаковые частицы можно различить по положению в пространстве и отследить их траекторию. В квантовой механике, поскольку понятие траектории лишено смысла, то частицы полностью теряют свою индивидуальность и становятся неразличимыми. Математическая запись принципа независимости: , где x₁ и x₂ – соответственно совокупность пространственных и спиновых координат первой и второй частиц. Возможны два случая: ψ(x₁,x₂)= ψ(x₂,x₁) и ψ(x₁,x₂)= -ψ(x₂,x₁). В первом случае волновая функция системы при перемене частиц местами не меняет знака; такая функция – симметричная. Во втором случае при перемене частиц местами знак волновой функции изменяется – антисимметричная. При этом характер симметрии не меняется со временем, т.о. свойство симметрии или антисимметрии – признак данного типа частицы.

Симметрия волновых функций определяется спином частиц.

Частицы с полуцелым спинов (электроны, протоны, нейтроны) описываются антисимметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Ферми- Дирака: эти частицы называются фермионами.

Частицы с нулевым или целочисленным спином (π-мезоны, фотоны) описываются симметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна; бозоны.

При́нцип Па́ули (принцип запрета) — один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.

Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной квантовой системы в данном квантовом состоянии может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым числом