ELEKTRONAI IR ATOMAI1. Elektromagnetinė spinduliuotė
2. Atominiai spektrai
3. Kvantinė teorija
4. Boro atomo modelis
5. Naujosios kvantinės mechanikos atsiradimas
6. Banginė mechanika
7. Kvantiniai skaičiai ir elektronų orbitalės
8. Elektrono sukinys
9. Daugiaelektroniai atomai
10. Elektronų išsidėstymas atomuose
Papildomieji skaitiniai. Helio-neono lazerisXIX a. pabaigoje dažnas mokslininkas manė, kad fizika ( jau išbaigtas
mokslas. Visa, ką buvo įmanoma atrasti, jau atrasta. Liko tik perkelti
fizikos žinias į chemiją ir biologiją. Fizikai gėrėjosi dviejų ( trijų
šimtmečių darbo vaisiumi ( darnia pasaulio sąrangos teorija. Idilišką
fizikų pasaulį temdė tik kelios neišspręstos problemos. Dar ne visai buvo
aišku, kaip įkaitinti kūnai spinduliuoja šviesą ir kaip paaiškinti
fotoefektą. Neilgai trukus šios problemos buvo išspręstos, tačiau visiškai
netikėtu būdu. Joms išspręsti prireikė naujos teorijos. Dienos šviesą
išvydo kvantinė teorija. Amžių sandūroje atsiradusi energijos kvantavimo
hipotezė pradėjo naują mokslinės minties vystymosi etapą. Su šviesa
susijusių reiškinių paaiškinimas ne tik kad nepadėjo paskutinio taško
fizikos istorijoje, bet dargi pradėjo naują erą moksle. Kvantinė teorija
atvėrė kelius naujiems atradimams. Didžiausias kvantinės teorijos nuopelnas
– naujas atomo sandaros modelis. Klasikiniai fizikos dėsniai negali
tinkamai paaiškinti daugelio atomų ir molekulių savybių. Tai galima
padaryti tik naudojantis kvantine teorija. Šiame skyriuje sužinosite, kaip
elektronų būseną apibūdina kvantinė teorija, kas yra kvantiniai skaičiai,
elektronų orbitalės. Šio skyriaus žiniomis naudosimės aiškindami elementų
savybių periodinius dėsningumus, cheminius ryšius, tarpmolekulinės sąveikos
jėgas.
1. ELEKTROMAGNETINĖ SPINDULIUOTĖ
Pagrindinis šio skyriaus tikslas – išsiaiškinti elektroninę atomo
sandarą. Deja, savo akimis pamatyti, kaip sudarytas atomas, neįmanoma. Apie
jo sandarą tenka spręsti iš įvairių bandymų. Svarbiausi iš jų –
elektromagnetinės spinduliuotės ir medžiagos sąveikos tyrimai. Prieš
pradėdami kalbėti apie atomo sandarą, pirmiausia šį tą turime sužinoti apie
bangas ir elektromagnetinę spinduliuotę.Jeigu kada nors teko sėdėti nedidelėje valtelėje, pajutote bangas. Jos
periodiškai kilsteli ir nuleidžia valtelę. Banga – tam tikras judėjimas,
kuriam vykstant sklinda energija. Elektrinis ir magnetinis laukas bangų
pavidalu gali sklisti ir medžiagomis (pvz., stiklu), ir tuštuma – vakuumu.
Toks energijos sklidimo būdas vadinamas elektromagnetine spinduliuote. Nors
vandens paviršiumi bėgančios bangos mums labiau įprastos, pradžiai
pakalbėkime apie banguojančią virvę arba stygą.
Būdas, kuriuo energija gali sklisti
Elektromagnetinė spinduliuotė – tai
Elektromagnetinė spinduliuotė – tai energijos pernaša per vakuumą ar
medžiagą (pvz., stiklą), elektriniams ir magnetiniams laukams sklindant
bangų pavidalu. Banga – tai periodinis trikdymas, pernešantis energiją per
terpę. Bangų sklidimą galima stebėti vandens telkinyje iš valtelės.
Didesnės – jūros bangos periodiškai siūbuoja pačią valtelę. Reiškinio
prigimtį lengviausia suvokti, stebint bangą, bėgančią styga.
Bangos ant vandens, garso bangos ir seisminės bangos (susidarančios,
vykstant žemės drebėjimams) nėra panašios į elektromagnetines bangas. Joms
sklisti reikalinga materiali terpė.
Judinant įtemptą stygą ranka aukštyn – žemyn, styga iš kairės į dešinę
pradeda bėgti bangos. Tokia viena kryptimi sklindanti banga yra vadinama
keliaujančiaja banga. Bangos ilgis – tai atstumas tarp dviejų viename
aukštyje esančių ir viena kryptimi svyruojančių taškų.
Pav. 9-1 atvaizduota styga, kuri viename gale yra nejudamai
įtvirtinta, o kitas jos galas laikomas įtemptas. Šioje stygoje pasirinkime
ir pažymėkime kokį nors tašką. Norint sukelti bangą, reikia įtemptą stygą
staigiai pakelti aukštyn ir nuleisti žemyn. Atsiradusi banga judės tolyn
nuo atsiradimo vietos, bet mūsų pasirinktasis taškas judės tik aukštyn –
žemyn. Judėdama (bėgdama) banga suformuos “viršūnes” ir “slėnius”, t. y.
aukščiausiai iškilusius ir žemiausiai nusileidusius taškus, skaičiuojant
nuo Pav 9-1 atvaizduotos punktyrinės linijos. Aukščiausias bangos pakilimo
arba žemiausias nusileidimo atstumas vadinamas amplitude. Atstumas tarp
dviejų aukščiausiųjų (arba žemiausiųjų) taškų (bangos viršūnių) vadinamas
bangos ilgiu (žymimas graikiška raide liambda, \).
Bangos ilgis – tai svarbi jos charakteristika. Kita svarbi
charakteristika – dažnis, žymima graikiška raide niu \, parodantis, kiek
bangos viršūnių prabėga pro kokį nors fiksuotą tašką per t. t. laiko
vienetą. Dažnio dimensija – s-1, ji reiškia bangos ciklų skaičių per
sekundę. Bangos ilgio (\) ir dažnio (\) sandauga parodo, kokį kelią banga
nubėga per laiko vienetą, tai bangos greitis. Pav.
9-1 atvaizduotos bangos
ilgis 0,5 m, dažnis 3 s-1 (tai reiškia, kad per sekundę styga padaro tris
svyravimus aukštyn – žemyn). Šios bangos greitis – 0,5 m x 3 s-1 = 1,5 m/s.
Elektromagnetinės bangos atvaizduotos Pav. 9-2. Jų spinduliuotės
magnetinio lauko dedamoji yra statmena elektrinio lauko dedamajai.
Elektrinis laikas susidaro apie elektringasias daleles; jis taip pat veikia
į šį lauką patekusią kitą elektringąją dalelę. Magnetinis laukas susidaro
apie įmagnetintus kūnus. 1865 m. James Clerk Maxwell’as (1831 – 1879)
pasiūlė teoriją, pagal kurią sklindančios erdvėje elektromagnetinės bangos
susidaro kintamu greičiu judant elektringosioms dalelėms. Radiobangos –
tai elektromagnetinių bangų rūšis, susidaranti dėl elektros srovės
fliuktuacijų specialios konstrukcijos elektros grandinėse. Kitą
elektromagnetinių bangų rūšį – matomasias bangas sukelia elektronai
atomuose ir molekulėse.
Pav. 9-2. Elektromagnetinės bangos.
Elektromagnetines bangas sudaro vienas kitam statmeni kintami
elektrinis ir magnetinis laukai. Vienos rūšies bangai elektrinio ir
magnetinio lauko bangos ilgis, dažnis ir amplitudė yra vienodi. Ten, kur
elektromagnetinės bangos ilgis didesnis, jos dažnis mažesnis (a); jei banga
trumpesnė, jos dažnis didesnis (b).
Elektromagnetinių bangų dažnis, ilgis ir greitis
SI sistemoje dažnio vienetas (s-1) – hercas (Hz), o ilgio vienetas –
metras (m). Daugelio elektromagnetinės spinduluotės rūšių bangų ilgiai yra
labai maži dydžiai, jiems žymėti naudojami specialūs išvestiniai dydžiai.
Tarp jų pateikiamas angstremas, pavadintas švedų mokslininko fiziko Anders
A\ngstro\m (1814 – 1874) garbei, nėra SI sistemos vienetas:
1 centimetras (cm) = 1 x 10-2 m
1 mikrometras (mikronas; \m) = 1 x 10-6 m
1 nanometras (nm) = 1 x 10-7 m
1 angstremas (\) = 1 x 10-10 mElektromagnetinės bangos vakuume sklinda pastoviu 2,997925 x 108 m s-1
greičiu (vadinamuoju šviesos greičiu). Jis žymimas simboliu c;
elektromagnetinės bangos ilgis ir dažnis yra susiję:
\ Šviesos greičio reikšmės dažnai suapvalinama iki 3,00 x 108 m s-1.Pav. 9-3 atvaizduotas platus elektromagnetinių bangų ilgių ir dažnių
diapazonas. Matome, kad mažėjant bangos ilgiui, auga jos dažnis. (9.1)
uždavinyje panaudota (9.1) lygtis.Pav. 9-3. Elektromagnetinių bangų rūšys.
Matomojo spektro šviesa, apimanti elektromagnetinės spinduliuotės dalį
nuo ilgiausių raudonųjų iki trumpiausių violetinių bangų, sudaro tik
nedidelę viso elektromagnetinio spektro dalį. Šiame paveiksle nurodyti
bangų ilgiai ir dažniai yra apytiksliai.
Matomųjų bangų spektras
Šviesos greitis medžiagoje yra mažesnis, nei vakuume.
Pereidamas iš vienos skaidrios terpės į kitą šviesos spindulys lūžta
(žr. Pav. 9-4). Vakuume įvairaus ilgio elektromagnetinės bangos turi
vienodą greitį, tuo tarpu skaidrioje aplinkoje (pavyzdžiui ore)jos sklinda
nevienodu greičiu. “Balta” šviesa sudaryta iš įvairaus ilgio bangų.
Baltai šviesai pereinant iš vienos skaidrios terpės į kitą, įvairių ilgių
šviesos bangos lūžta skirtingu kampu, o šviesos pluoštas išskaidomas į
spalvų juostą – spektrą. Pav. 9-5 atvaizduotas pro siaurą plyšį praėjęs
pluoštas išskaidytas stiklo prizmės; spektro spalvos fiksuojamos
fotografinėje plokštelėje.
……………………………………………………….Pav. 9-4. Šviesos lūžimas
Kokteilio šiaudelis nuo pamerkimo vietos atrodo užlūžęs. Šio reiškinio
priežastis – šviesos bangų lūžimas.
……………………………………………………….
……………………………………………………….Pav. 9-5. “Baltos” šviesos spekteras.
“Baltai” šviesai pereinant per stiklo prizmę raudonos šviesos lūžimo
kampas yra mažiausias, o violetinės – didžiausias. Kitos spektro spalvos
išsidėsto tarp raudonos ir violetinės.
2. ATOMINIS SPEKTRAS
Šviesos šaltinis, atvaizduotas Pav. 9-5, gali būti saulės šviesa ar
elektros lemputės kaitinimo siūlelis. Kiekvienos spalvos banga praėjusi
per prizmę suformuoja prieš prizmę stovinčio plyšio pavidalo atvaizdą; tų
atvaizdų tiek daug, kad jie susilieja į ištisinę spektro juostą,
pereinančią nuo raudonos iki violetinės spalvos (sakoma, kad “baltos”
šviesos spektras yra ištisinis). Tuo tarpu dujošvyčių lempų skleidžiamos
šviesos bangos sudarytos tik iš pavienių spalvotų spektro linijų; tokių
lempų skleidžiamos šviesos spektre lieka tamsios juostos. Šis neištisinis
spektras vadinamas atominiu arba linijiniu spektru. Pav. 9-7 atvaizduota
tokio spektro gavimo schema.
Pirmieji darbai spektroskopijoje atlikti naudojant Bunsen’o specialiai
tam sukonstruotą dujų degiklį. Šis ir dabartiniu metu laboratorijose
naudojamas degiklis skleidžia šviesą, tinkamą atominių spektrų gavimui.
Pav. 9-7. Atomonio linijinio spektro gavimas. Šviesos šaltinis – žemo
slėgio helio lempa. Praeinant elektros išlydžiui per išretintas
dujas
helio atomai sugeria energiją, kurią vėliau išspinduliuoja šviesos
pavidalu. Matomosios srities helio spektras sudarytas iš šešių linijų,
kurias galima stebėti plika akimi. Atvaizduotasis aparatas vadinamas
spektrografu; jame gautasis spektras nufotografuojamas. Jei atliekant
bandymą spektrą reikia tik stebėti neregistruojant, dirbama su
spektroskopu.
Kiekvieno elemento atomai turi tik jiems būdingą linijinį spektrą.
Robert’as Bunsen’as (1811 – 1899) ir Gustav’as Kirchhoff’as (1824 – 1887)
sukonstravo pirmąjį spektroskopą ir panaudojo jį identifikuoti elementams.
1860 m. jie atrado naują elementą ir pavadino jį ceziu (lot. caesius –
žydras), nes šio elemento spektre buvo ryškios žydros linijos. Panašiai
jie atrado ir rubidį (lot. rubudius – tamsiai raudonas). Dar vienas
elementas, atrastas pagal savo spektrą – helis (gr. helios – saulė). Jo
spektras buvo stebėtas saulės užtemimo metu 1868; pats grynas elementas
buvo gautas tik po 27 metų.
Vienas iš nuodugniausiai išstudijuotų – vanndenilio spektras.
Vandenilio lempa švyti rausvai purpurine šviesa (žr. Pav. 9-8).
Pagrindinis skleidžiamos šviesos komponentas – raudona 656,3 nm bangos
ilgio spektro linija. Matomoje srityje stebimos dar trys vandenilio
spektro linijos: mėlynai žalia 486,1 nm ilgio, ir dvi violetinės – 434,0 ir
410,1 nm. Šis atominis vandenilio spektras parodytas Pav. 9-9. 1885 m.
Jonann’as Balmer’is, pasinaudodamas eksperimentiniais duomenimis, išvedė
formulę šio sprktro linijų bangų ilgiams skaičiuoti, kurią patobulino
Johannes Rydberg’as:
3. KVANTINĖ TEORIJA
Infraraudonąją spinduliuotę skleidžia ne vien tik įkaitę kūnai.
Naudojant specialią įrangą infraraudonosios spinduliuotės pagalba galima
matyti įvairius objekus naktį.
Žinome, kad įkaitę kūnai skleidžia įvairių spalvų šviesą
nuo tamsiai raudonos elektrinės plytelės kaitinamojo elemento iki
akinančiai baltos elektros lemputės siūlelio spalvos. Šio reiškinio,
vadinamo juodojo kūno spinduliavimu, panašiai kaip ir atominių spektrų
negalėjo paaiškinti 19 a. pabaigos fizika. 1900 m. Max’as Planck’as (1858
– 1947) pateikė revoliucinį pasiūlymą: energija, panašiai kaip ir medžiaga,
nėra tolydinė. Klasikinė fizika neriboja energijos kiekio, kurį gali
turėti sistema, tuo tarpu kvantinė teorija sistemos turimą energiją
suskirsto tam tikrais dydžiais. Skirtumas tarp dviejų artimų galimų
energijos reikšmių yra vadinamas energijos kvantu. Energijos kvantą mes
galime prilyginti atomui; visa mus supanti energija sudaryta iš kvantų,
panašiai kaip iš atomų sudaryta medžiaga.Planck’as pateikė formulę, pagal kurią elektromagnetinės spinduliuotės
kvantas yra proporcingas jos dažniui; kuo didesnis dažnis, tuo didesnė
energija:
E = h\ (9.3)
Proporcingumo konstanta h (vadinamoji Planck’o konstanta) lygi 6,626 x
10-34 J s.
Kvantinė teorija gerai paaiškino juodojo kūno spinduliavimą bei kitus
reiškinius, tuo pastūmėdama į priekį mokslo vystymąsi. Pripažinimas atėjo
panaudojus kvantų savoką fotoelektrinio efekto aiškinimui.
Ar galima surasti kvantinės teorijos analogijų mus supančioje
aplinkoje? Norint suprasti dėsningumus, susijusius su golfo kamuokiuko,
automobilio ar kosminio laivo judėjimu, nereikia naudotis kvantine teorija.
Šie makroobjektai turi tiek daug energijos, kad kelių kvantų papildymas ar
netekimas nepaveiks jų judėjimo trajektorijos. Todėl stipriai
neapsiriksime manydami, kad makroobjektų energija yra ištisinė, o juos
stebėdami nerasime kvantų buvimo įrodymų. Kvantų analogus galime
įsivaizduoti visiškai kitoje srityje. Pavyzdžiu galėtų būti pinigų keitimo
automatas, priimantis 5, 10 ir 25 centų monetas. Jame jūs galite surinkti
0,45; 0,50 arba 0,55 USD sumą, bet negalite ten įmesti 0,57 USD. Kvantą
šiuo atveju atitinka 0,05 USD (penkiacentė moneta), 10 ir 25 centų monetas
sudarys du ir penki kvantai.
Fotoelektrinis efektas
Pav. 9-10 atvaizduotas fotoelektrinio efekto stebėjimo bandymas. Šį
efektą 1888 m. atrado H. Hertz’as, vėliau ištyrė P. Lenard’as.
Fotoelektrinio efekto esmė: apšvietus kai kurių metalų paviršių gaunamas
elektronų pluoštas. Lenard’as pastebėjo, kad šviesos išmuštų (emituotų)
elektronų skaičius (bet ne jų energija) priklauso nuo apšvitinimo
intensyvumo. Elektronų energijos priklauso nuo šviesos bangų dažnio
(apšvietimo spalvos). Emituotų elektronų energijos gaunamos didesnės, kai
atitinkamas metalas apšviečiamas mėlyna, ir mažesnės, kuomet – raudona
šviesa. Fotoelektrinis efektas tapo dar viena neišsprendžiama mįsle to
meto fizikams, kurie manė, kad šviesos bangų energija priklauso nuo jos
intensyvumo, o ne nuo dažnio.
Pav. 9-10. Fotoelektrinis efektas.
Šviesos srautas susidūręs su metalo paviršiumi išmuša
elektronus. Metalas, netekęs elektronų, įgyja teigiamą krūvį. Metalą
sujungus su elektroskopu, elektronų perteklius iš
nuteka į
fotoelektrodą, o elektroskopo metalinės folijos plokštelės įgyja teigiamą
krūvį ir atstumia viena kitą.
1905 m. Einstein’as padarė prielaidą, kad elektromagnetinės (taip pat
ir matomosios šviesos) bangos yra sudarytos iš “dalelių” ir pavadino jas
fotonais. Dalelių energijai skaičiuoti jis pritaikė Planck’o lygtį E = h\.
Šviesos energija yra sukoncentruota fotonuose. Vykstant fotoelektriniam
efektui, fotonai susidurdami perduoda energiją elektronams. Kiekvieno
susidūrimo metu elektronui perduodamas energijos kvantas. Kuo didesnis
elektromagnetinės bangos dažnis, tuo didesnė ją sudarančių fotonų energija.
Tokiu atveju daugiau energijos bus perduodama elektronams ir emituotų
elektronų kinetinė energija bus didesnė. Šviesos dalelinė prigimtis yra
atvaizduota Pav. 9-11.
Elektronas iš metalo gali būti išmuštas vieno jo susidūrimo su fotonu
metu. Procesas negali vykti kelis kartus susiduriant elektronui su fotonu.
Pav. 9-11. Šviesos srautas sudarytas iš fotonų.
Fotonai ir cheminės reakcijos
8 skyriuje užsiminėme apie fotochemines reakcijas, t. y. šviesos
sukeltas chemines reakcijas. Šiose reakcijose dalyvauja fotonai; mes juos
pažymėsime simboliu h\. Atmosferoje vykstanti ozono susidarymo reakcija
gali būti užrašyta:
O2 + h\ \ O + O
O2 + O + M \ O3 + MPirmoji reakcija vyksta veikiant ultravioletinei šviesai (bangos ilgis
242,4 nm). Šioje reakcijoje susidarę deguonies atomai O jungiasi su O2
molekulėmis; reakcijos produktas – ozonas O3. Trečioji dalelė M [pvz.
N2(d)] sugeria energijos perteklių ir apsaugo O3 molekules nuo skilimo.
Planck’o konstantos (h) ir dažnio (\) sandaugos rezultatas lygus
vieno fotono energijai, išreikštai džauliais. Šis dydis labai mažas, todėl
kartais naudojama ir didesnė išraiška – vieno molio (6,02214 x 1023) fotonų
energija.
4. BOHR’o ATOMO MODELIS
2-3 paragrafe pateiktame Rutherford’o atomo modelyje nenurodyta
elektronų išsidėstymo atomuose tvarka. Remiantis klasikinės fizikos
dėsniais, nejudantys neigiami elektronai turėtų būti pritraukti teigiamo
branduolio. Todėl elektronai atomuose turi judėti, panašiai kaip juda
planetos apie Saulę. Klasikinės fizikos dėsniai teigia, kad taip judantys
elektronai turi turėti pagreitį ir spinduliuoti energiją. Prarasdami
energiją šie elektronai turėtų spirališkai judėti prie branduolio, kol
nukristų į jį. Tokia situacija atvaizduota Pav. 9-12.
Pav 9-12. Nestabilaus atomo modelis.
Pagal šį modelį atomas praranda energiją,
spinduliuodamas šviesą, o elektronas nuolat spirališkai artėja prie
branduolio. Tokiu atveju elektrono ir branduolio susidūrimas turėtų įvykti
labai greitai.
1913 m. Niels’as Bohr’as (1885 – 1962) išsprendė šį prieštaravimą,
panaudojęs Planck’o pradėtą kurti kvantinę teoriją. Sujungęs klasikinę ir