Курс физики (стр. 119 из 157)
Из решения уравнений Шредингера следует также, что вектор Ll момента импульса электрона может иметь лишь такие ориентации в пространстве, при которых его проекция Llxна направление z внешнего магнитного поля принимает квантованные значения, кратные n:
(223.6)где ml — магнитное квантовое число, которое при заданном l может принимать значения
(223.7)т. е. всего 2l+1 значений. Таким образом, магнитное квантовое число ml определяет проекцию момента импульса электрона на заданное направление, причем вектор момента импульса электрона в атоме может иметь в пространстве 2l+1 ориентации.
Наличие квантового числа ml должно привести в магнитном поле к расщеплению уровня с главным квантовым числом n на 2l+1 подуровней. Соответственно в спектре атома должно наблюдаться расщепление спектральных линий. Действительно, расщепление энергетических уровней в магнитном поле было обнаружено в 1896 г. голландским физиком П. Зееманом (1865—1945) и получило название эффекта Зеемана. Расщепление уровней энергии во внешнем электрическом поле, тоже доказанное экспериментально, называется эффектом Штарка[38].
Хотя энергия электрона (223.3) и зависит только от главного квантового числа n, но каждому собственному значению Еn (кроме E1) соответствует несколько собственных функций Ψnlml, отличающихся значениями l и ml. Следовательно, атом водорода может иметь одно и то же значение энергии, находясь в нескольких различных состояниях. Так как при данном n орбитальное квантовое число l может изменяться от 0 до n - 1 (см. (223.5)), а каждому значению l соответствует 2l+1 различных значений /и/ (223.7), то число различных состояний, соответствующих данному n, равно
(223.8)Квантовые числа и их значения являются следствием решений уравнений Шредингера и условий однозначности, непрерывности и конечности, налагаемых на волновую функцию Ψ. Кроме того, так как при движении электрона в атоме существенны волновые свойства электрона, то квантовал механика вообще отказывается от классического представления об электронных орбитах. Согласно квантовой механике, каждому энергетическому состоянию соответствует волновая функция, квадрат модуля которой определяет вероятность обнаружения электрона в единице объема.
Вероятность обнаружения электрона в различных частях атома различна. Электрон при своем движении как бы «размазан» по всему объему, образуя электронное облако, плотность (густота) которого характеризует вероятность нахождения электрона в раз личных точках объема атома. Квантовые числа n и l характеризуют размер и форму электронного облака, а квантовое число ml характеризует ориентацию электронного облака в пространстве.
В атомной физике, по аналогии со спектроскопией, состояние электрона, характеризующееся квантовыми числами l = 0, называют s-состоянием (электрон в этом состоянии называют s-электроном), l = 1 — p-состоянием, l = 2 — d-состоянием, l = 3 — f-состоянием и т. д. Значение главного квантового числа указывается перед условным обозначением орбитального квантового числа. Например, электроны в со стояниях с n = 2 и l = 0 и 1 обозначаются соответственно символами 2s и 2р.
На рис. 303 для примера приведено распределение электронной плотности (формы электронного облака) для состояний атома водорода при n=1 и n=2, определяемое |Ψnlml |2. Как видно из рисунка, оно зависит от n, l и ml. Так, при l = 0 электронная плотность отлична от нуля в центре и не зависит от направления (сферически-симметрична), а для остальных состояний в центре равна нулю и зависит от направления.
Рис. 303
3. Спектр. Квантовые числа n, l и mlпозволяют более полно описать спектр испускания (поглощения) атома водорода, полученный в теории Бора (см. рис. 294).
В квантовой механике вводятся правила отбора, ограничивающие число возможных переходов электронов в атоме, связанных с испусканием и поглощением света. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что для дипольного излучения электрона, движущегося в центральносимметричном поле ядра, могут осуществляться только такие переходы, для которых: 1) изменение орбитального квантового числа ∆ l удовлетворяет условию
(223.9)2) изменение магнитного квантового числа Am/ удовлетворяет условию
В оптических спектрах указанные правила отбора в основном выполняются. Однако в принципе могут наблюдаться и слабые «запрещенные» линии, например возникающие при переходах с ∆l = 2. Появление этих линий объясняется тем, что строгая теория, запрещая дипольные переходы, разрешает переходы, соответствующие излучению более сложных систем зарядов, например квадруполей. Вероятность же квадрупольных переходов (переходы с ∆l= 2) во много раз меньше вероятности дипольных переходов, поэтому «запрещенные» линии и являются слабыми.
Учитывая число возможных состояний, соответствующих данному л, и правило отбора (223.9), рассмотрим спектральные линии атома водорода (рис.
304): серии Лаймана соответствуют переходы
серии Бальмера —
и т.д.Переход электрона из основного состояния в возбужденное обусловлен увеличением энергии атома и может происходить только при сообщении атому энергии извне, например за счет поглощения атомом фотона. Так как поглощающий атом находится обычно в основном состоянии, то спектр атома водорода должен состоять из линий, соответствующих переходам 1s→np (n=2, 3, ...), что находится в полном согласии с опытом.
Рис. 304
§ 224. 1S-СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОНА В АТОМЕ ВОДОРОДА
1s-Состояние электрона в атоме водорода является сферическисимметричным, т. е. не зависит от углов θ и ϕ. Волновая функция ф электрона в этом состоянии определяется только расстоянием r электрона от ядра, т. е.
Ψ = Ψ100(r), где цифры в индексе соответственно указывают, что n = 1, l = 0 и ml = 0. Уравнению Шредингера для 1s-состояния электрона в атоме водорода удовлетворяет функция вида
(224.1)где, как можно показать, а = h24πε0/(me2) — величина, совпадающая с первым боровским радиусом а (см. (212.2)) для атома водорода, С — некоторая постоянная, определяемая из условия нормировки вероятностей (216.3).
Благодаря сферической симметрии Ψ-функции вероятность обнаружения электрона на расстоянии r одинакова по всем направлениям. Поэтому элемент объема dV, отвечающий одинаковой плотности вероятности, обычно представляют в виде объема сферического слоя радиусом r и толщиной dr. dV = 4πr2dr. Тогда, согласно условию нормировки вероятностей (216.3) с учетом (224.1),
После интегрирования получим
(224.2)Подставив выражение (224.2) в формулу (224.1), определим нормированную волновую функцию, отвечающую 1s-состоянию электрона в атоме водорода:
(224.3)Вероятность обнаружить электрон в элементе объема (см. (216.2)) равна
Подставив в эту формулу волновую функцию (224.3), получим
Вычислим те расстояния rmax от ядра, на которых электрон может быть обнаружен с наибольшей вероятностью. Исследуя выражение dW/dr на максимум, получим, что rmax = а. Следовательно, электрон может быть обнаружен с наибольшей вероятностью на расстояниях, равных боровскому радиусу, т. е. имеется равная и наибольшая вероятность обнаружения электрона во всех точках, расположенных на сферах радиуса а с центром в ядре атома. Казалось бы, квантово-механический расчет дает полное согласие с теорией Бора. Однако, согласно квантовой механике, плотность вероятности лишь при r = а достигает максимума, оставаясь отличной от нуля во всем пространстве (рис. 305).
Рис. 305
Таким образом, в основном состоянии атома водорода наиболее вероятным расстоянием от электрона до ядра является расстояние, равное боровскому радиусу. В этом заключается квантово-механический смысл воровского радиуса.
§ 225. СПИН ЭЛЕКТРОНА. СПИНОВОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО
О. Штерн и В. Герлах, проводя прямые измерения магнитных моментов (см. § 131), обнаружили в 1922 г., что узкий пучок атомов водорода, заведомо находящихся в ^-состоянии, в неоднородном магнитном поле расщепляется на два пучка. В этом состоянии момент импульса электрона равен нулю (см. (223.4)). Магнитный момент атома, связанный с орбитальным движением электрона, пропорционален механическому моменту (см. (131.3)), поэтому он равен нулю и магнитное поле не должно оказывать влияния на движение атомов водорода в основном состоянии, т. е. расщепления быть не должно. Однако в дальнейшем при применении спектральных приборов с большой разрешающей способностью было доказано, что спектральные линии атома водорода обнаруживают тонкую структуру (являются дублетами) даже в отсутствие магнитного поля.