Физични основи на електроматериалознанието


Категория на документа: Физика


Неутронът няма електричен заряд.

Броят на електроните в атома съвпада с номера на елемента в периодичната система на химичните елементи. Същия е броят на протоните в ядрото. Следователно атомът е електронеутрален.

Масата на електрона е около 1/1840 от масата на протона и на неутрона, т.е. почти цялата маса на атома е съсредоточена в ядрото.

Един атом е зареден електрично, когато броят на електроните е по-голям или по-малък от броя на протоните. Ако електроните в атома са повече от протоните, той е зареден отрицателно. Ако атомът има по-малко електрони, отколкото протони, той е зареден положително. Заредените атоми се наричат йони.

Състоянията на електроните в атома могат приблизително да се опишат като техни движения по определени кръгови или елиптични орбити.

Съвременната физика разглежда по друг начин строежа на атома – явленията в него се подчиняват на законите на квантовата механика. Електронът притежава вълнови свойства и движението му не бива да се разглежда като движението по траектория. Орбитата характеризира област от пространството, където вероятността да се намира електронът е най – голяма.

Независимо от това, тук ще бъде разглеждана теорията на датския физик Бор (наречена “полуквантова”), която, макар и да не е истина от последна инстанция, все още се задържа във физиката като спомагателно средство при изложение на представите за строежа на атома, благодарение на своята нагледност и простота. Тя е преходен етап по пътя към създаване на строга и последователна теория за атомните явления.
През 1913 г. Бор формулира следните постулати, валидни за изолиран атом:

1. Електроните се движат в атома по определени орбити, наречени стационарни. При движението си по такава орбита електронът има точно определена енергия и не излъчва.

Всяка точно определена енергия на електрона се нарича енергетично ниво.

2. Атомът излъчва енергия във вид на фотон*, когато електрон преминава от по-отдалечена към по-близка до ядрото орбита; при поглъщане на енергия (примерно на фотон или в резултат на взаимодействие с друга частица) електрон преминава от по-близка към по далечна орбита. Стойността на излъчената или погълната енергия е:

W = hν = Wm - Wn , (2.1)

където: h = 6,626.10-34 J.s (Джаул секунда) е константа на Планк; ν - честота на излъчения или погълнатия фотон [в херци (Hz)]; Wm, Wn - енергетични нива на електрона, между които се извършва преходът.

Ако на даден електрон в атома се придаде достатъчно голяма енергия, той може да се освободи от влиянието на ядрото – получава се положителен йон и свободен електрон. Явлението се нарича йонизация.

Според теорията на Бор във водородния атом енергията на единствения му електрон се определя от уравнението

,

където R = 3,29.1015, s-1 е константа на Ридберг; n се нарича главно квантово число – то е цяло положително (n = 1, 2, 3, …).

Следователно енергията на електрона в атома може да приема само точно определени дискретни стойности, т.е. тя се квантува.

Ако се предположи, че разрешените орбити са окръжности, техните радиуси нарастват с увеличаване на n пропорционално на n2 (фиг. 2.2.а).

* фотон – светлинна частица; не притежава маса в покой – съществува само в движение със скорост, равна на скоростта на светлината.

а) б)
Фиг. 2.2

Състоянията на електрона се характеризират с още 3 квантови числа: орбитално квантово число 1, което определя формата на орбитата; магнитно квантово число m, определящо ориентацията на орбитата спрямо силно магнитно поле; спиново квантово число s, определящо посоката на спина на електрона в магнитно поле. (Съгласно представите на класическата механика спин е околоосно въртене на електрона).

В сложните многоелектронни атоми електроните се групират в слоеве. Главното квантово число определя номера на слоя. Във всеки слой има определен брой разрешени орбити (n2). На всяка орбита могат да се намират най-много по 2 електрона с противоположни спинове. В този случай енергетичните нива на електроните зависят не само от главното квантово число n, а и от орбиталното 1 и от магнитното квантово число m.

Особено просто и нагледно енергетичните състояния на електроните в атома се представят с енергетична диаграма. Възможните стойности на енергията W се нанасят върху вертикална ос.

На фиг. 2.2.б построяването на енергетична диаграма е илюстрирано за водородния атом. Енергията е в електронволти (еV). (eV – дименсия за енергия на елементарни частици; 1 еV = 1,6.10-19 J). Състоянията на електрона се представят с хоризонтални линии, които изобразяват позволените енергетични нива. Енергията е отрицателна. С увеличаване на n тя нараства. При n=∞ W=0, което съответства на свободно състояние на електрон, несвързван с ядото.

Стационарното състояние, при което енергията на атома е минимална, се нарича нормално или основно, а всички останали – възбудени. В нормално състояние атом, неподложен на външни въздействия, се намира неограничено време, а във възбудено – кратко време, обикновено от порядъка 10-8 s.



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Физични основи на електроматериалознанието 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.