Условие задачи
Что называют: а) электронным облаком; б) атомной орбиталью; в) энергетическим уровнем?
Решение
Ниже приводится подробное решение задачи из области квантовой химии (атомной структуры и квантовой механики).
──────────────────────────────
1. Электронное облако
Электронное облако – это представление распределения вероятности нахождения электрона вокруг атомного ядра. Согласно квантовой механике, электроны не движутся по определённым орбитам, как планеты вокруг Солнца, а описываются волновой функцией ψ, квадрат модуля которой, │ψ(x,y,z)│², даёт плотность вероятности обнаружить электрон в данной точке пространства. Таким образом, под электронным облаком понимают область, где вероятность нахождения электрона высока.
──────────────────────────────
2. Атомная орбиталь
Атомная орбиталь – это квантовомеханическая функция ψ, являющаяся решением стационарного уравнения Шрёдингера для электрона в центральном поле ядра. Каждая такая орбиталь характеризуется набором квантовых чисел:
– Главное квантовое число n (n = 1, 2, 3, …), определяющее энергию и размер орбитали.
– Орбитальное (азимутальное) квантовое число l (l = 0, 1, …, n – 1), которое определяет форму орбитали (например, для l = 0 орбиталь имеет форму сферы – s-орбиталь, для l = 1 – форма «гантели» – p-орбиталь и т.д.).
– Магнитное квантовое число m (m = –l, …, +l), определяющее ориентацию орбитали в пространстве.
Таким образом, атомная орбиталь – это математическая функция, задающая не только распределение вероятности (электронное облако), но и описание энергетического и симметричного состояния электрона в атоме.
──────────────────────────────
3. Энергетический уровень
Энергетический уровень – это квантованное значение энергии электрона в атоме, соответствующее определённому набору квантовых чисел вышеупомянутой атомной орбитали. Для электрона, связанного с атомом, разрешены лишь определённые, дискретные уровни энергии. При этом значение энергии зависит в первую очередь от главного квантового числа n, а также корректируется вкладом орбитального квантового числа l (и в более сложных случаях – спиновых эффектов). Например, энергия электрона в водородном атоме выражается формулой:
Eₙ = –(Rₕ / n²),
где Rₕ – физическая константа (энергия Ридберга), а n = 1, 2, 3, ….
──────────────────────────────
Вывод:
а) Электронное облако – область вокруг атомного ядра, где с заданной вероятностью находится электрон, определяемая квадратом модуля волновой функции (│ψ│²).
б) Атомная орбиталь – решение уравнения Шрёдингера, описывающее волновую функцию электрона в атоме, характеризующееся квантовыми числами n, l и m, определяющее форму, размер и ориентацию его облака.
в) Энергетический уровень – дискретное значение энергии электрона, позволяемое его квантовым состоянием (определяется главным квантовым числом n и другими квантовыми числами), соответствующее конкретной орбитали.
Таким образом, понятия «электронное облако», «атомная орбиталь» и «энергетический уровень» взаимосвязаны: орбиталь задаёт математическое описание данного состояния электрона, электронное облако – интерпретация квадрата модуля этой функции как распределения вероятности, а энергетический уровень – дискретное значение энергии, которое можно измерить экспериментально.