4. Движение электрона в атоме

Электрон в атоме не может быть непод­вижным, так как под действием силы электростатического притяжения он немедленно упал бы на положи­тельно заряженное ядро. Но электрон и не вращается вокруг атомного ядра.

Согласно современным представлениям электрон имеет двойствен­ную природу¹, проявляя одновременно свойства частицы² (вещества) и электромагнитной волны³ (поля).

Наличие массы и заряда характеризует электрон как частицу, а способность электрона подвергаться дифракции и интерференции⁴ свидетельствует о его волновых свойствах.

Особенности поведения электрона в атоме вызваны прежде всего его волновыми свойствами, так как движение волны принципиально отличается от движения частицы. При описании движения волны нельзя пользоваться понятием "траектория". Поэтому для характеристики движения электрона вместо терминов "траектория" и "орбита", опираясь на законы квантовой (волновой) механики¹, применяют вероятно­стный подход.

Квантовая механика показала, что электрон движется по всему атомному объё­му, образуя электронное облако, которое для разных электронов может иметь разную форму (рис. 17). При этом частота пребывания электрона (плотность электронного облака) в той или иной области атомного пространства неодинакова (рис. 13), то есть движение электрона в атоме носит вероятностно-волновой характер.

Таким образом, движение электрона описывают через веро­ятность его нахождения в данной точке атомного про­странства. В одних областях такого пространства электрон можно обнаружить чаще (и говорят о большей вероятности его нахождения в них), в других – реже (меньшая ве­роятность пребывания его там), в третьих он не бывает никогда (тогда говорят о нулевой вероят­ности). Соответственно говорят о повышенной или пониженной электронной плотности в разных областях атомного пространства; вблизи атомного ядра она практически равна нулю.

Согласно законам квантовой механики электрон в силу высокой скорости движения в атоме (2·10⁶ м/с, или 2000 км/с) оказывается как бы находящимся одновременно во всём его объёме кроме ядра, образуя электронное облако¹ с неравномерной плотностью, которое у электронов одного и того же атома может иметь разную форму. Формы электронных облаков аналогичны атомным орбиталям¹.

Атомной орбиталью (АО) называется пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно пребы­вание электрона с определённой энергией; обычно такая вероятность принимается равной 90 %.

Например, для атома во­дорода на расстоянии более 120 пм от ядра вероятность пребывания электрона становится настолько малой, что ею можно пренебречь. И, очер­тив вокруг атомного ядра сферу радиусом 120 пм, можно сказать: "Вот область пространства, где движется электрон в атоме водорода".

Атомная орбиталь характеризуется энергией, размерами, формой и ориентацией в пространстве относительно ядра атома.

Для уточнения понятия "орбиталь" приведём такую ана­логию. Допустим, имеется множество фотографий одного из участников футбольного матча, например вратаря. Используя эти фотографии, можно нанести на чертёж все точки футбольного поля, где во время матча в разные моменты застал вратаря объектив фотографа. Ясно, что наибольшее число отметок придётся на участки поля, непосредственно примыкающие к воротам, – там вратарь бывает чаще, поэтому там больше и вероятность его обнаружения. Полученное таким способом "вратарное облако", конечно, не будет обра­зом самого вратаря, а будет характеризовать его движение по футбольному полю во время матча.

Изменение вероятности нахождения электрона на каком-либо удалении от атомного ядра можно изобразить при помощи графика. Но такой способ недостаточно нагляден, поэтому принято изображать вероятность нахождения электрона при помощи точек: чем больше вероятность нахождения электрона в той или иной области атомного пространства, тем больше плотность точек. Именно таким образом на рис. 13 изображено электронное облако атома водорода.

Рис. 13. Электронное облако и граница атомной орбитали

в атоме водорода

Причём точки на рисунке нельзя отождествлять с электроном. Не корректным будет и утверждение, что электрон "размазан в пространстве" – просто невозможно знать, где именно в данный момент времени он находится. Рядом с атомным ядром, а также на значительном удалении от него вероятность нахождения электрона мала, но не равна нулю. Расстояние от атомного ядра, на котором вероятность нахождения электрона наиболее высока, принято называть атомным радиусом. Так, например, радиус атома водорода равен 78 пм.

Граничная поверхность атомной орбитали характеризуется изоэлектронной плотностью, то есть она является поверхностью, равной электронной плотности. Все атомные орбитали изображаются трёхмерными фигурами. Возникновение, например, p-орбиталей можно представить вращением их двумерных изображений на 180⁰ вокруг соответствующих осей декартовой системы координат этих осей. Орбитали и располагаются вдоль, а 3d_xy , 3d_yz и 3d_xz – между этими осями (см. рис. 17).

Графически атомную орбиталь принято изображать в виде квантовой (энергетической) ячейки в форме круга ○, черты — или квадрата (клетки) □, а электроны – в виде стрелок, направленных вверх или вниз: – спаренные электроны; – неспаренный электрон; свободная, или вакантная, орбиталь – □.

Вследствие закономерностей дви­жения электронной волны в ограниченном пространстве круговой ("боровской", см. с. 15) орбиты возникает так называемая трёхмерная стоячая волна, наглядной моделью которой является механическая одномерная стоячая волна колеблющейся струны, то есть на длине орбиты укладывается целое число волн (рис. 14).

n = 3

n = 1

n = 4

n = 2

а б

Рис. 14. Стоячие волны (а) в колеблющейся струне

и (б) электронная волна в пределах атома (n = 5)

Отсюда вытекают закономерности математического описания волновых свойств элек­трона в атоме, который может находиться не в любых, а только в оп­ределённых состояниях, то есть для состояний электрона в атоме и величин, их характеризующих, свойственна квантованность (дискретностность).

Аналогией может служить человек, совершающий серию прыжков с пола – на стул, со стула – на стол и обратно. При известной сноровке он может запрыгнуть с пола сразу на стол, но никакая физическая подготовка не позволит ему оказаться где-нибудь в промежутке между поверхностями (пол – стул – стол). Нечто подобное происходит и в атоме: энергия электрона может принимать только определённые значения.