Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц

Современная теория движения микрообъектов говорит об их двойственной природе – дуализме. Установлено, что микрообъекты ведут себя и как частицы, и как волны.

Впервые двойственная природа микрообъектов установлена для света. С одной стороны свету присущи явления дифракции и интерференции, что присуще любому волновому процессу. С другой стороны, явление фотоэффекта указывает на корпускулярные свойства, т.е. свет – это поток частиц с определенной энергией.

В 1924 г. Де Бройль предположил, что дуализм свойствен не только фотонам (свету), но и другим любым материальным телам. Движение любой частицы можно рассматривать как волновой процесс и длина волны выражается уравнением: λ=h/m∙υ, где h – постоянная Планка, m – масса, υ – скорость. Эти волны для материальных частиц получили название волн де Бройля. Предположение де Бройля подтверждено опытом.

По де Бройлю, волновые свойства электрона в атоме проявляются в том, что длина волны, характеризующая движение электрона, должна укладываться на длине орбиты целое число раз, т.е. 2∙π∙r= n∙λ. Решая это уравнение совместно с λ=h/m∙υ, приходим к уравнению Бора: m∙υ∙r = n∙h/2π. Длины волн электрона в атоме имеют один порядок с размером атома, следовательно движение электрона можно описывать с позиций его волновых свойств.

В 1927 г. Гейзенбер сформулировал принцип неопределенности: невозможно как-либо установить местонахождение электрона в атоме, т.к. траектория его движения не представляет собой прямых или плавно искривленных линий, а имеет некий волновой характер и может быть описана уравнением волнового движения. Принцип неопределенности утверждает о невозможности оперировать точными координатами электрона в каждый данный момент. Однако возможно использовать вероятностный подход описания атома.

Для характеристики поведения электрона в поле атомного ядра существенно не положение электрона по отношению к трем координатам, а только вероятность его нахождения в определенном объеме атома.

Де Бройль положил начало квантовой (волновой) механике. Основой современной теории строения атома является квантово-механическое описание атома Шредингера. Электронные волны могут распространяться в любых плоскостях, и поэтому их амплитуда является функцией трех координат: Ψ(х, у, z) – волновая функция. Шредингер ввел уравнение, которое связывает энергию электронной системы с волновой функцией.

Особенности уравнения Шредингера:

1. Уравнение решается только при некоторых определенных значениях энергии электрона. Квантовый характер поведения электрона в атоме вытекает из решения уравнения, использующего волновые характеристики движения электрона.

2. Решения уравнения показывают вероятность нахождения электрона в той или иной точке пространства вокруг ядра и никак не связаны с траекторией движения электрона.

Квадрат волновой функции Ψ² является мерой вероятности нахождения электрона в некотором объеме на расстоянии r от ядра, т.е. является мерой электронной плотности в данном объеме, т.к. электрон рассматривается как бы размазанным по атому в виде электронного облака.

Фигуру, образованную «размазанным» электроном, называют орбиталью (т.е. это форма электронной плотности). Орбиталь – это пространство, заключающее 90 % электронного облака. Очень важной характеристикой является вид симметрии орбитали. Орбитали шарообразные называют s-орбиталями, а в виде гантелей – p-орбиталями. Более сложный вид имеют d и f-орбитали. Из решения уравнения Шредингера следует: может быть одна s-орбиталь, три р-, пять d- и семь f-орбиталей.

Дискретные квантовые состояния электрона в атоме проявляются в различии форм орбиталей и отсутствии промежуточных форм между ними, в определенном расположении орбиталей в пространстве, когда некоторые направления предпочтительно заполняются электронами, а другие пустуют.

Состояние электрона в атоме определяется системой квантовых характеристик – квантовыми числами.