Рассмотрение энергий ионизации в рамках модели атома, предложенной Бором

Бор предположил, что электрон в атоме водорода может находиться только на строго определенных квантовых уровнях энергии. Это утверждение относится и к другим элементам. Согласно модели Бора, электроны в атомах вращаются вокруг ядра по круговым орбитам, или оболочкам. Каждая оболочка имеет строго определенный энергетический уровень и характеризуется некоторым квантовым числом. Электроны вращаются на этих оболочках со строго определенным угловым моментом. Значение этого углового момента зависит от квантового числа оболочки. Оболочки получили буквенные обозначения К, L, M и далее в порядке латинского алфавита. На каждой оболочке может находиться не больше определенного числа электронов, и это максимальное число электронов индивидуально для каждой оболочки (рис. 1.15).

Как будет показано ниже в данной главе, а также в гл. 11, распределение электронов по оболочкам соответствует расположению химических элементов в периодической таблице. Такое распределение электронов соответствует также определенным закономерностям, которые обнаруживаются в значениях энергий ионизации элементов. Например, первые энергии ионизации элементов, как правило, уменьшаются при переходе от одного элемента к другому сверху вниз в пределах одной группы (табл. 1.3). Дело в том, что по мере продвижения к нижней части группы электроны на внешней оболочке атома оказываются все более удаленными от ядра.

Таблица 1.3. Первые энергии ионизации и электронные конфигурации некоторых элементов

 

 

Рис. 1.16. Первая энергия ионизации

Рис. 1.17. Последовательные энергии ионизации элементов с атомным номером от 1 до 20

Поэтому ядро все слабее притягивает электроны, а это облегчает их удаление из атома. Другая закономерность заключается в том, что по мере продвижения слева направо в каждом периоде энергии ионизации элементов постепенно возрастают. Такое перемещение соответствует увеличению атомного номера и числа электронов во внешней оболочке атома.

Если построить график зависимости первых энергий ионизации элементов от их атомного номера (рис. 1.16), на нем обнаруживаются некоторые особенности. Высшие значения энергий ионизации принадлежат благородным газам. Атомы этих элементов имеют заполненную внешнюю электронную оболочку. Поэтому они очень устойчивы. Щелочные металлы характеризуются наименьшими энергиями ионизации. Каждый из них имеет один электрон во внешней электронной оболочке атома и обладает очень большой реакционной способностью.

Интересные сведения о распределении электронов в атомах обнаруживаются также при сопоставлении первой, второй и следующих энергий ионизации какого-либо элемента со степенью ионизации, т.е. с числом удаленных электронов (например, первая ионизация имеет степень ионизации 1, вторая-степень 2 и т.д.). Если построить график зависимости десятичного логарифма энергий ионизации от степени ионизации, то на нем обнаруживается резкий скачок каждый раз, когда удаление электрона происходит из заполненной оболочки (рис. 1.17). Энергии ионизации последовательно возрастают при переходе от электронов на высших энергетических уровнях к электронам на самом низшем энергетическом уровне, т.е. на К-оболочке. Этого следовало ожидать, поскольку для удаления электрона с более низкого энергетического уровня требуется больше энергии, чем для удаления электрона с более высокого энергетического уровня (см. рис. 1.14).

Недостатки модели Бора. Выдвинутая Бором модель атома до сих пор используется в ряде случаев. Она применима для объяснения линий в спектре атомарного водорода. Ею можно пользоваться, объясняя расположение элементов в периодической таблице и закономерности изменения энергий ионизации элементов.

Однако модель Бора имеет несколько недостатков. Во-первых, она не позволяет объяснить некоторые сложные особенности в спектрах элементов, более тяжелых, чем водород. Во-вторых, экспериментально не подтверждается, что электроны в атомах вращаются вокруг ядра по круговым орбитам со строго определенным угловым моментом. Более того, если бы это было так, электрон должен был бы постепенно терять энергию и замедляться. В конце концов он оказался бы притянутым к ядру, что означает разрушение атома. На самом деле этого не происходит.

Двойственная природа электрона. Решающий шаг в развитии квантовой теории атома произошел в 1925 г., когда Луи де Бройль высказал предположение, что электрону следует приписать некоторую длину волны. Было уже известно, что электромагнитное излучение способно обнаруживать свойства, как волновые, так и корпускулярные (подобные свойствам частиц), и в последнем случае ведет себя как поток частиц-фотонов.

Де Бройль предположил, что аналогичное уравнение можно записать и для электрона. Уравнение де Бройля имеет вид

л = h/mv

где л-длина волны электрона, w-ero масса, a v-скорость. Это уравнение легло в основу новой квантовой теории.

Де Бройль предложил рассматривать электрон как стоячую волну, которая должна умещаться на круговой атомной орбите. Этим определяется требование к длине волны электрона-она должна была уложиться на орбите целое число раз. Число раз, которое длина волны укладывается на орбите, соответствует квантовому числу электрона.

В 1927 г. наличие волновых свойств у электрона экспериментально подтвердили опыты К. Дэвиссона и Л. Джермера, а также Дж. П. Томсона. Они обнаружили, что пучок электронов, подобно пучку света, испытывает дифракцию, проходя через кристалл либо через металлическую фольгу. Другие эксперименты свидетельствуют как о волновых, так и о корпускулярных свойствах электрона. Эти эксперименты и соответствующие свойства указаны в табл. 1.4.

 

Оглавление: