Электрон в атоме — Физическая химия для олимпиад

Электрон в атоме

10 заданий

Линейчатый спектр и уровни энергии

linkОпора

  • Урок 107. Свет и энергия фотона — частота, длина волны, волновое число, электронвольт и молярная энергия. Порог возбуждения и баланс поглощённых фотонов

Раскалённый водород светится не радугой, а четырьмя яркими линиями в видимой области: красной, голубой, синей и фиолетовой. Если бы электрон мог иметь любую энергию, спектр был бы сплошным. Линии означают, что энергия электрона в атоме принимает только определённые значения — уровни, а фотон уносит разность двух уровней: \(h\nu = E_\text{верх} - E_\text{ниж}\).

functionsУровни водородоподобной частицы (модель Бора)

Электрон массой \(m\) движется вокруг ядра с зарядом \(Ze\) по окружности радиуса \(r\); кулоновское притяжение (урок 95) сообщает ему центростремительное ускорение:

\[\frac{mv^2}{r} = \frac{Ze^2}{4\pi\varepsilon_0r^2}.\]

Нильс Бор добавил условие, смысл которого позже объяснил де Бройль: на окружности должно уложиться целое число волн электрона, \(2\pi r = n\lambda = \dfrac{nh}{mv}\), — как стоячая волна на замкнутой струне (урок 106). Выразив \(v\) из второго равенства и подставив в первое, получим радиусы

\[r_n = \frac{\varepsilon_0h^2}{\pi me^2}\cdot\frac{n^2}{Z} = 0{,}0529\ \text{нм}\cdot\frac{n^2}{Z}.\]

Из первого равенства кинетическая энергия \(mv^2/2\) равна половине модуля потенциальной, поэтому полная энергия

\[E_n = \frac{mv^2}{2} - \frac{Ze^2}{4\pi\varepsilon_0r_n} = -\frac{Ze^2}{8\pi\varepsilon_0r_n} = -\frac{me^4}{8\varepsilon_0^2h^2}\cdot\frac{Z^2}{n^2} = -\frac{13{,}6\ \text{эВ}\cdot Z^2}{n^2}.\]

Картина круговых орбит неверна (о ней — во второй части урока), но формула для энергии совпадает с точным решением квантовой механики для любой частицы с одним электроном. За нуль принят электрон, удалённый от ядра, поэтому уровни отрицательны, а энергия ионизации из основного состояния равна \(13{,}6Z^2\) эВ. Для иона \(\ce{Li^2+}\) (\(Z = 3\)) она равна \(13{,}6\cdot9 = 122\) эВ.

functionsФормула спектральных линий

При переходе с уровня \(n_2\) на уровень \(n_1 < n_2\) фотон уносит \(\Delta E = 13{,}6Z^2\left(\dfrac{1}{n_1^2} - \dfrac{1}{n_2^2}\right)\) эВ. Его волновое число \(\tilde\nu = \Delta E/(hc)\); для водорода

\[\tilde\nu = \frac{1}{\lambda} = R_H\left(\frac{1}{n_1^2} - \frac{1}{n_2^2}\right),\qquad R_H = 109\,678\ \text{см}^{-1}.\]

Значение \(13{,}6\ \text{эВ}/(hc)\) равно \(109\,700\) см⁻¹; точная постоянная чуть меньше, так как ядро тоже движется, и масса электрона заменяется приведённой массой (урок 106).

edit_noteПервая линия серии Лаймана

Переход \(2 \to 1\): \(\tilde\nu = 109\,678\cdot\left(1 - \tfrac14\right) = 82\,259\) см⁻¹, \(\lambda = 1/\tilde\nu = 1{,}216\cdot10^{-5}\) см \(= 121{,}6\) нм — далёкий ультрафиолет. Атомы, возбуждённые до уровня \(n = 3\), при возвращении дают три линии: \(3 \to 2\), \(3 \to 1\) и \(2 \to 1\) — по одной на каждую пару уровней.

Уровни атома водорода и переходы серий Лаймана и Бальмера; внизу — линии серии Бальмера в видимой области, сгущающиеся к границе серии
Уровни атома водорода и переходы серий Лаймана и Бальмера; внизу — линии серии Бальмера в видимой области, сгущающиеся к границе серии

Переходы на уровень \(n_1 = 1\) образуют серию Лаймана (ультрафиолет), на \(n_1 = 2\) — серию Бальмера (видимый свет), на \(n_1 = 3\) — серию Пашена (инфракрасная область). С ростом \(n\) уровни сгущаются к границе ионизации, и линии серии сгущаются к её границе — переходу с \(n = \infty\). Эту закономерность первым заметил в 1885 году швейцарский школьный учитель Иоганн Бальмер, подобрав формулу для четырёх видимых линий водорода; обобщил её Юханнес Ридберг (1888), а объяснил уровнями энергии Нильс Бор (1913).

Орбиталь — не орбита

Электрон в атоме не летает по траектории, как планета вокруг Солнца. Квантовая механика описывает его волновой функцией \(\psi\), а квадрат \(|\psi|^2\) — это плотность вероятности найти электрон в данной точке. Орбиталь — волновая функция одного электрона (на рисунках — область, где вероятность велика), а не путь. Как и у частицы между стенками (урок 106), разрешённые состояния — стоячие волны, и чем выше энергия, тем больше у волны узлов.

Состояние электрона задают четыре квантовых числа:

ЧислоЗначенияЧто определяет
главное \(n\)1, 2, 3, …энергию и размер орбитали
орбитальное \(l\)0 … \(n - 1\) (s, p, d, f)форму орбитали
магнитное \(m_l\)\(-l\) … \(+l\)ориентацию в пространстве
спиновое \(m_s\)\(+\tfrac12\) или \(-\tfrac12\)собственный момент электрона

У орбитали \(n - 1\) узел — поверхность, где \(\psi = 0\): \(l\) угловых (плоскости и конусы) и \(n - l - 1\) радиальных (сферы). Например, у орбитали 4d три узла: два угловых и один радиальный.

functionsСколько орбиталей в оболочке

При данном \(l\) магнитное число принимает \(2l + 1\) значение, а \(l\) пробегает значения от 0 до \(n - 1\). Число орбиталей в оболочке — сумма первых \(n\) нечётных чисел:

\[\sum_{l=0}^{n-1}(2l + 1) = 1 + 3 + 5 + \ldots + (2n - 1) = n^2.\]

По принципу Паули на орбитали не больше двух электронов с противоположными спинами, поэтому в оболочке до \(2n^2\) электронов: 2, 8, 18, …

ruleГраницы модели

Формула \(E_n = -13{,}6Z^2/n^2\) точна только для частиц с одним электроном: H, He⁺, Li²⁺. В многоэлектронном атоме электроны экранируют ядро друг от друга, и энергия зависит ещё и от \(l\). Электрон на 2s-орбитали часть времени проводит ближе к ядру, чем электроны внутреннего слоя 1s, слабее экранирован и поэтому лежит ниже, чем 2p; по той же причине 4s заполняется раньше 3d. Эффективный заряд ядра меньше истинного.

infoИз истории

Волновое уравнение для электрона вывел Эрвин Шрёдингер в 1926 году, и в том же году Макс Борн предложил понимать квадрат волновой функции как плотность вероятности. Годом раньше Вольфганг Паули сформулировал запрет: два электрона не могут иметь одинаковый набор всех четырёх квантовых чисел. Так боровская орбита уступила место орбитали.

push_pinГлавное

Из условия, что на орбите укладывается целое число волн электрона, и закона Кулона следует \(E_n = -13{,}6Z^2/n^2\) эВ — формула, точная для одноэлектронных частиц. Линия спектра — разность уровней: \(\tilde\nu = R_H(1/n_1^2 - 1/n_2^2)\), \(R_H = 109\,678\) см⁻¹; серии Лаймана, Бальмера, Пашена — переходы на \(n = 1, 2, 3\). Состояние электрона задают квантовые числа \(n\), \(l\), \(m_l\), \(m_s\); орбиталь — волновая функция, \(|\psi|^2\) — плотность вероятности. Узлов \(n - 1\): \(l\) угловых и \(n - l - 1\) радиальных; в оболочке \(n^2\) орбиталей и до \(2n^2\) электронов.

Закрепите теорию: 10 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Физическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — по приложению C регламента IChO и официальным комплектам ВсОШ и перечневых олимпиад; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.