Параметры орбит электронов в атомах

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 30Следующая ⇒

Элемент	Номер электрона	Стацио-нарное состояние k	Зарядовое число z/	Радиус орбиты r/ ×10-10 , м	Скорость электрона V/ ×106 м·с-1	Полная энергия Е×10-19, Дж	Период обращения Т×10-16, с
1	2	3	4	5	6	7	8	9
H	1	1	1,00003	0,529177	2,18650	21,7272	1,52066	1
He	1 2	1 1	1,96780 1,39144	0,268926 0,380318	4,30423 3,04355	84,3949 42,1974	0,392570 0,785139	1 2
Li	1 2 3	1 1 2	2,95691 2,41431 1,24674	0,178967 0,219189 1,68783	6,46814 5,28121 1,36360	190,572 127,048 8,46986	0,173850 0,260775 7,82324	1 1.5 45
Be	1 2 3 4	1 1 2 2	3,95074 3,42144 2,31332 1,66578	0,133947 0,154669 0,915035 1,270736	8,64224 7,48440 2,53019 1,82195	340,209 255,157 29,1608 15,1204	0,0973840 0,129845 2,27229 4,38228	1 1,33333 23,3333 45
B	1 2 3 4 5	1 1 2 2 2	4,94960 4,42705 3,33860 2,71952 1,56195	0,106916 0,119536 0,634028 0,778360 1,35521	10,8274 9,68429 3,65163 2,97450 1,70840	533,990 427,192 60,7382 40,3011 13,2943	0,0620440 0,0775551 1,09094 1,64617 4,98421	1 1,25 17,5833 26,5 80,3333

Продолжение табл. 5.12

Продолжение табл. 5.12

Продолжение табл. 5.12

Теперь выражение (187) примет вид

 .      (188)                 

Отсюда находим

,               (189)

.        (190)

Для элементов, порядковые номера которых отличаются на 2, 3 и 4 единицы, выполняются равенства:

                    (191)

Замечаем, что в правых частях уравнений (187) и (191) стоят числа, равные числу элементов в периодах периодической системы. Формулы для вычисления значений k для этих случаев имеют вид

         (192)

Полученные формулы для расчета ионизационных потенциалов не позволяют учитывать эффект движения. Ими можно пользоваться только в случаях, когда электроны в атомах движутся с малыми скоростями. Чтобы производить точные расчеты, с учетом эффекта движения, нужно знать скорости движения электронов в атомах. Выразив зарядовые числа в формуле (187) через орбитальные скорости электронов с помощью формулы (112), получим уравнение, позволяющее вычислять без учета эффекта движения орбитальные скорости любого электрона в любом атоме:

. (193)

Теперь полную энергию системы “электрон-атом” можно определить по формуле (104), которая с учетом зависимости (76^/) преобразуется к виду

.                            (194)

Согласно теории относительности, если тело движется со скоростью, значительно меньшей скорости света, то его кинетическую энергию можно с достаточной точностью вычислить по формуле

.

Если тело движется с большой скоростью, то тогда кинетическая энергия будет равна

.                   (195)

Последняя формула выведена для частиц, ускоряемых в ускорителях, но считается верной для любых других возможных случаев. При выводе формулы (195) были допущены ошибки. Так, сила, с которой электрическое поле в ускорителе действует на частицу, равна

.     (196)

Согласно этому выражению по мере увеличения скорости частицы сила, действующая на нее, непрерывно растет и при приближении скорости частицы к скорости света сила стремится к бесконечности. Однако это противоречит общепризнанному факту конечности скорости распространения взаимодействия. В соответствии с этим сила, действующая на частицу, наоборот, должна стремиться к нулю.

В первых скобках уравнения (196) мы вместо произведения mV записали mV^/, тем самым показали, что не масса частицы m растет с увеличением ее скорости, а сама скорость является величиной, зависящей от эффекта движения. Как показано выше (76^/),

.

Уравнение (196), записанное в таком виде, точно описывает зависимость силы, действующей на движущийся электрон в атоме, от его скорости. Согласно теории относительности кинетическая энергия равна

.                         (197)

После интегрирования получим формулу (195). Эту формулу нельзя применять и для определения кинетической энергии электронов в атомах, так как при ее выводе допущена ошибка. В формуле (197) сомножитель V записан без учета эффекта движения. Правильное выражение для кинетической энергии имеет вид

. (198)

Полная энергия системы “электрон-атом” будет равна

,                     (199)

что совпадает с формулой (104), полученной нами ранее, и формулой (194).

Сравнивая формулы (195) и (198), со всей очевидностью убеждаемся в ошибочности выводов, сделанных на основе формулы (195). Энергия не может превращаться в массу, а масса – в энергию. Бессмысленными, не отражающими реальную действительность являются такие понятия, как энергия покоя и полная энергия, масса покоя и релятивистская масса. В устойчивых атомах скорости электронов не превышают скорость света. Если скорость электрона равна скорости света, то его кинетическую энергию можно определить по формулам

  ,

где V^/=C=299,792458 м/c;   Она будет равна 409355,56·10^-19 Дж = 0,255499532 МэВ.

В таблице 5.13 приведены ионизационные потенциалы для 36 элементов. Нумерация электронов идет в направлении от ядра к периферии атома. Расчет проводился последовательно: вначале для одноэлектронных ионов, затем для двухэлектронных и т.д. Значения k определялись по формуле (189), а ионизационные потенциалы по формулам (193, 199). Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными [73, 96, 97]. Теперь по методике, изложенной выше, можно рассчитать параметры орбит для всех 36 элементов. Никаких принципиальных трудностей нет для вычисления ионизационных потенциалов и параметров орбит электронов у всех элементов периодической таблицы.

Химические и ряд физических свойств элементов обусловлены энергией связи наружных электронов с атомами. Энергия связи, а следовательно, и свойства имеют периодическую зависимость от порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Если сравнить первые потенциалы ионизации у всех атомов [78], то можно четко выделить семь периодов, что и отражено в таблице Менделеева. Если же сравнить потенциалы ионизации у всех ионов с разными зарядами ядер, но с одинаковым количеством электронов, то так же четко можно различить у известных нам элементов 12 периодов, которые приведены в таблице 5.14. В таблице приведен также 13-й период для элементов, которые, возможно, существуют во Вселенной в условиях, отличных от условий Солнечной системы.

Таблица 5.14 позволяет более точно установить зависимость химических свойств атомов от их строения. На рис. 5.10 показано, как идет заполнение электронных слоев в атомах. Орбиты изображены в масштабе по данным таблицы 5.12. В первом слое у всех атомов содержатся два электрона. В атоме водорода в этом слое имеется только один электрон. При переходе от атома к атому размеры слоя уменьшаются, но количество электронов не изменяется. Второй слой содержит восемь электронов. Заполнение этого слоя начинается в атоме лития и заканчивается в атоме неона. Заполнение третьего слоя начинается в атоме натрия и заканчивается в атоме аргона. В таблице 5.15 показано, как идет заполнение электронных слоев у всех атомов, приведенных в таблице 5.14. Число слоев в атоме соответствует номеру периода, в котором он находится. Максимально возможное число электронов в слое соответствует числу элементов в периоде, в котором начал заполняться этот слой. В первом слое оба электрона находятся в первом стационарном состоянии. Восемь электронов второго слоя находятся во втором стационарном состоянии. Электроны третьего и четвертого слоев находятся в третьем стационарном состоянии, а электроны всех остальных слоев – в четвертом.

Распределение электронов в атомах, принятое сегодня [98], ошибочно. Оно противоречит характеру изменения ионизационных потенциалов в атомах [78]. Согласно таблице 5.14 один период содержит два элемента, шесть периодов содержат по восемь элементов, четыре по десять элементов и два по четырнадцать элементов. В некоторых периодах наблюдается одинаковая закономерность изменения свойств элементов по мере увеличения числа электронов во внешнем слое атома. Такие периоды будем называть подобными. Так, подобными являются второй и третий периоды, начинающиеся с щелочных элементов; пятый, седьмой, десятый и тринадцатый, начинающиеся с элементов группы меди; четвертый, шестой, девятый и двенадцатый, содержащие по 10 элементов; восьмой и одиннадцатый, содержащие по 14 элементов.

Таблица 5.13

Энергия  ионизации атомов

Продолжение табл. 5.13

Продолжение табл. 5.13

Продолжение табл. 5.13

Продолжение табл. 5.13

Таблица 5.14

Периодический закон

Таблица 5.15

Познавательные статьи:



Где возникла философия и почему?

Относительная высота сжатой зоны бетона

Сущность проекции Гаусса-Крюгера и использование ее в геодезии

Тарифы на перевозку пассажиров