Структура атома

Atomic Structure

Subatomic Particles

• Proton: positively charged, resides in nucleus, mass approximately 1 atomic mass unit (amu)
• Neutron: no charge, resides in nucleus, mass approximately 1 amu
• Electron: negatively charged, orbits nucleus, mass approximately 1/1840 amu

Atomic Models

• Rutherford's Model (1911):
  • Atoms have a small, dense nucleus at the center
  • Electrons orbit the nucleus at a distance
• Bohr's Model (1913):
  • Electrons occupy specific energy levels (shells) around the nucleus
  • Energy levels are quantized, electrons jump between levels by absorbing/emitting energy
• Quantum Mechanical Model (1926):
  • Electrons exist as probability distributions (orbitals) around the nucleus
  • Describes electron spin and magnetic moment

Electron Configuration

• Aufbau Principle: electrons occupy the lowest available energy level
• Pauli's Exclusion Principle: no two electrons can have the same set of quantum numbers
• Hund's Rule: electrons occupy degenerate orbitals singly before pairing up

Atomic Orbitals

• s-orbitals: spherical shape, symmetrical around nucleus
• p-orbitals: dumbbell shape, oriented along x, y, or z axes
• d-orbitals: complex shapes, oriented in various directions
• f-orbitals: complex shapes, high-energy orbitals

Key Concepts

• Energy Levels: electrons occupy specific energy states around the nucleus
• Electron Spin: intrinsic angular momentum of electrons
• Magnetic Moment: measure of an electron's magnetic properties

Структура Атома

Субатомные Частицы

• Протон: положительно заряженный, находится в ядре, масса приблизительно 1 атомная единица массы (а. е. м.)
• Нейтрон: без заряда, находится в ядре, масса приблизительно 1 а. е. м.
• Электрон: отрицательно заряженный, орбитяет ядро, масса приблизительно 1/1840 а. е. м.

Модели Атома

• Модель Рutherford'a (1911):
  • Атомы имеют маленькое, плотное ядро в центре
  • Электроны орбитуют вокруг ядра на расстоянии
• Модель Бора (1913):
  • Электроны занимают определенные энергетические уровни (слои) вокруг ядра
  • Энергетические уровни квантуются, электроны переходят между уровнями, поглощая/излучая энергию
• Квантово-Механическая Модель (1926):
  • Электроны существуют как вероятностные распределения (орбитали) вокруг ядра
  • Описывает спин электрона и магнитный момент

Конфигурация Электронов

• Принцип Ауфбау: электроны занимают самый низкий доступный энергетический уровень
• Принцип Исключения Паули: два электрона не могут иметь одинаковый набор квантовых чисел
• Правило Хунда: электроны занимают вырожденные орбитали по одной, прежде чем формировать пары

Атомные Орбитали

• s-Орбитали: сферическая форма, симметричная вокруг ядра
• p-Орбитали: форма дамббела, ориентированная вдоль осей x, y или z
• d-Орбитали: сложные формы, ориентированные в различных направлениях
• f-Орбитали: сложные формы, высокоэнергетические орбитали

Ключевые Концепции

• Энергетические Уровни: электроны занимают определенные энергетические состояния вокруг ядра
• Спин Электрона: собственное угловое движение электронов
• Магнитный Момент: мера магнитных свойств электрона

Двойственной Природе Волны и Частицы

• В физике атомов и ядер частицы могут проявлять как волнообразное, так и корпускулярное поведение
• Это противоречит классическому пониманию объектов как волны или частицы
• Примеры:
  • Дифракция электронов: электроны проявляют волнообразное поведение при прохождении через кристаллическую решетку
  • Фотоэлектрический эффект: электроны ведут себя как частицы при взаимодействии со светом

Принцип Нечеткости

• Формулирован Вернером Гейзенбергом в 1927 году
• Гласит, что невозможно знать некоторые свойства частицы, такие как положение и импульс, одновременно с бесконечной точностью
• Математически выражается как Δx * Δp >= h/4π, где x - положение, p - импульс, а h - постоянная Планка
• Имеет последствия для измерений и наблюдений в физике атомов и ядер

Уравнение Шрёдингера

• Математическое уравнение, описывающее эволюцию квантовой системы во времени
• Формулировано Эрвином Шрёдингером в 1926 году
• Волновая функция ψ(x) - математический объект, описывающий квантовое состояние системы
• Уравнение записывается как Hψ = Eψ, где H - гамильтониан, E - энергия, а ψ - волновая функция

Волновая Функция и Вероятность

• Волновая функция ψ(x) используется для расчета вероятности нахождения частицы в том или ином состоянии
• Плотность вероятности дается как |ψ(x)|^2, что всегда является положительным действительным числом
• Вероятность нахождения частицы в том или ином состоянии дается интегралом плотности вероятности по соответствующей области

Спин и Угловой Момент

• В квантовой механике частицы могут иметь собственный угловой момент, известный как спин
• Спин - фундаментальное свойство частиц, таких как электроны и протоны
• Спин квантован, то есть может принимать только определенные дискретные значения

Принцип Паули

• Формулирован Вольфгангом Паули в 1925 году
• Гласит, что два электрона в атоме не могут иметь одинаковую систему квантовых чисел
• Имеет последствия для структуры атомов и периодической таблицы