Cтраница 4
Во-первых, одноэлектронные уравнения по-прежнему остаются уравнениями с тремя переменными, и решить такие уравнения с помощью существующих методов невозможно. Определен-ный прогресс может быть достигнут только в том случае, если отдельные одноэлектронные уравнения сами могут быть сведены к простым дифференциальным уравнениям. Это возможно только для атомов, и только тогда, когда полное электронное распределение атома обладает сферической симметрией. Если это так, то потенциальная энергия электрона зависит только от его расстояния до ядра; поэтому силы, действующие на электрон, направлены к ядру и угловой момент электрона относительно ядра должен быть постоянным. [46]
Модель Бора была заменена более современной и правильной моделью строения атома. Модель Бора оказалась принципиально неверной, и поэтому мы не можем более пользоваться при описании поведения электрона в атоме представлением о его движении по орбитам и о перескоках электрона с одной орбиты на другую. Однако некоторые термины, присущие модели Бора, были перенесены в квантовомеханическую модель атома и в видоизмененной форме используются для описания энергетических состояний электронов в атомах. Например, при описании энергетического состояния используется термин орби-таль, но переходы электрона с одной орбитали на другую уже не рассматриваются как перескоки между орбитами с различными радиусами. Вместо этого пользуются представлениями о квантованных изменениях углового момента электрона. Наглядные картинки, изображавшие строение различных частей атома, уступили место его математическому описанию, однако оказалось, что эти новые представления о строении атома позволяют правильно описывать и даже предсказывать физические и химические свойства элементов. Преимущества новой модели были признаны и самим Бором, который в 1920 - х гг. присоединился к последователям квантовомеха-нического описания атома. [47]
Энергия основного состояния атома водорода заслуживает подробного обсуждения. Основываясь на законах классической механики, следует ожидать, что электрон проводит как можно больше времени в окрестности ядра, поскольку при этом его потенциальная энергия минимальна. Идеальным положением электрона с этой точки зрения является контакт с ядром. На самом же деле в основном состоянии атома водорода электрон, находящийся на ls - орбитали, хотя и распределен в области, близкой к ядру, вовсе не ограничен этой областью. Что отталкивает электрон от ядра. Классический ответ гласит: Причиной отталкивания является угловой момент электрона и сопутствующая центробежная сила. Это предположение и было положено в основу модели Бора. Однако, поскольку с s - орбиталью не связан никакой угловой момент, такое объяснение нельзя считать приемлемым. [48]
Эти результаты могут быть очень просто интерпретированы с точки зрения классической теории. Когда электрон движется в нелинейной молекуле, например в СН4, он попадает, в частности, к ядрам атомов. При каждой встрече происходит изменение величины и направления импульса ( и, следовательно, также углового момента) как электронов, так и ядер. Поэтому имеет место непрерывная передача углового момента к ядрам и от ядер; хотя полный угловой момент молекулы постоянен, он все время из-за этих столкновений переходит от ядер к электронам и обратно. Поэтому электроны сохраняют всегда свою часть углового момента. Далее, в атомах взаимодействия между электронами и ядром никогда не изменяют угловой момент электронов относительно ядра, так как силы, действующие между ядром и электронами, направлены по радиусам и поэтому не влияют на угловое движение. [49]
Тем не менее эксперимент технически был труден, так как атомы в пучке сталкивались друг с чругом, рассеивались и делали результат неясным. Используя в качестве снарядов атомы серебра, Штерн и Герлах наблюдали две полосы. Это, по-видимому, противоречит от-ному из квантовых прогнозов, поскольку угловой момент / приводит к 2 / 1 орнептациям, которых будет две лишь в том случае, если 1 / 2, а это противоречит тому, что / должно быть целым числом. Для разрешения этого конфликта было предположено, что угловой момент, наблюдаемый в случае атомов серебра, обусловлен не движением электрона вокруг ялра, его орбитальным угловым моментом, а может быть приписан угловому моменту электрона, вращающегося вокруг собственной оси, спиновому угловому моменту. Волновая функция для вращения электрона в одной точке пространства удовлетворяет не тем же самым граничным условиям, что и для частицы, мигрирующей по поверхности сферы, и поэтому значения / могут иметь другие ограничения по величине. [50]