Закрыть

Какого цвета электрон: Электрон — парадокс или вызов современной картине мира?

Содержание

Электрон — парадокс или вызов современной картине мира?

Имеется много устоявшихся понятий, которые стали настолько привычными, что совершенно не подвергаются сомнению. Каждый читатель знает или, по крайней мере, слышал, что электрон имеет отрицательный заряд. Эта информация как раз из числа таких устоявшихся понятий, которые кажутся всем незыблемыми.

Мне бы хотелось привлечь внимание читателей к парадоксам, которые сопровождают существование и смысл электрона. У меня есть ответы на вопросы, которые будут здесь сформулированы. Однако мне хочется, чтобы читатели самостоятельно поразмышляли над этими парадоксами и попытались дать свой вариант ответов. По этой причине в данной статье я не буду давать ответы или давать какие-либо подсказки.

Перейдём к краткому рассмотрению одного из самых эпохальных изобретений человечества – к радиолампе, которую Эдисон изобрёл относительно случайно. Он хотел исследовать работу электрической лампы и впаял в неё кусочек металла. Сразу же выяснилась удивительная вещь: через пустоту между нитью накала (волоском) и впаянным металлическим кусочком можно было пустить ток.

И вслед за тем выяснилась вторая вещь, ещё более неожиданная: ток можно было пустить только в одном направлении, только тогда, когда плюс подавался на впаянный кусочек, а минус — на нить накала. При обратном включении ничего не получалось.

Воздух из электрической лампы выкачан почти весь; лампа почти пуста. Как же может пустота проводить ток, и почему она проводит его только в одном направлении?

Ответ на эти вопросы скоро нашли: пустота оказалась ни при чём. Когда лампу гасили (отключали накал нити), протекавший между нитью и кусочком металла ток сразу прекращался. Стало очевидным, что разгадка явления сокрыта в нити накала.

Оказалось, что когда нить нагрета, мельчайшие частицы – «электроны» — вылетают из неё в пустоту, точно рой пчел. Эти электроны заряжены отрицательно.

Вот здесь и начинается самое интересное. Рассмотрим версию, представленную в любом учебнике по электровакуумным приборам.

Пока на кусочек металла не подают положительное напряжение электроны «толпятся» около нити накала. Если же к впаянному в лампу кусочку металла приложить положительный потенциал, они полетят к нему совсем так же, как клочки бумаги летят к натёртой о волосы гребёнке.

Прилетая к нему, они своим отрицательным зарядом будут «уничтожать» положительное электричество, находящееся на этом кусочке металла, и поэтому требуются всё новые и новые заряды с батареи.

А это значит, что по цепи батареи через кажущуюся пустоту лампы потечёт постоянный ток. Если же металлическому кусочку дать отрицательный потенциал, то ничего не случится. Он не только не будет притягивать отрицательно заряженные электроны, а, наоборот, будет их отталкивать. Никакого мостика между ним и нитью накала не получится, и ток сквозь лампу не пойдёт.

Явлению дали название «эффекта Эдисона» и впаянный в лампу кусочек металла назвали «анодом», но на этом пока всё кончилось, поскольку практического применения лампе с анодом найти не могли.

Много лет спустя появилось радио. При его создании не сразу вспомнили об эдисоновской лампе, а когда вспомнили, применили вместо кристаллического детектора. Лампа исправно пропускала ток только в одну сторону, но была не лучше самого простого кристаллика. Поэтому особым успехом она не пользовалась.

Всё изменилось благодаря работам другого американца — Флемминга. Он ввёл «сетку» между анодом и нитью накала и сразу произвёл переворот в радиотехнике. Его лампа позволяла слушать радио на огромных расстояниях и с любой громкостью. Его лампа была той самой радиолампой, что стоит в наших ламповых приёмниках.

Возьмите её в руки и взгляните. Вот нить накала. Вокруг неё – сетка (спираль из тонкой проволоки), а вокруг сетки — металлический цилиндр — анод. От концов нити накала идут два провода, от сетки и анода — по одному. Все эти четыре провода выведены к ножкам на цоколе радиолампы. Та ножка, которая соединена с анодом, отставлена чуть назад. Это сделано для того, чтобы лампу нельзя было неправильно вставить в её панельку.

При создании радиолампы Флемминг действовал совершенно сознательно. Чем дальше находится принимаемая станция, тем слабее её сигнал и тем меньше размах переменного тока в антенне приёмника.

Когда они слишком малы, детектор их вовсе не принимает. Что же нужно сделать, чтобы увеличить дальность приёма? Очевидно, нужно усилить колебания приходящего с антенны тока высокой частоты. А что нужно сделать, чтобы увеличить громкость работы приёмника? Конечно, усилить колебания звукового тока после детектора. Откуда же взять эту недостающую колебаниям мощность? Из батареи питающей анод лампы. А как это сделать? Очень просто.

Если мы на сетку лампы подадим отрицательный заряд, то отрицательно заряженным электронам станет труднее протискиваться сквозь неё. Она будет отталкивать их обратно к нити накала. От этого на анод попадёт меньше электронов, аноду меньше потребуется положительных зарядов с «анодной батареи», и сила «анодного тока» сразу упадёт.

Если же сетку зарядить положительно, то она начнёт притягивать электроны, и будет помогать аноду отрывать их от нити накала. На ней самой останется только немного электронов. Анод всегда имеет более высокий потенциал. Значит, от положительного заряда сетки электронный поток усилится, а заодно усилит и анодный ток.

Но если вместо постоянных потенциалов на сетку радиолампы подать колебания переменного тока, сетка будет всё время менять свой потенциал. Следовательно, анодный ток в лампе начнёт колебаться. Пришедшие на её сетку колебания она мгновенно передаёт в свою анодную цепь, сохраняя их частоту и добавляя им необходимую мощность. Таким образом, сетка даёт возможность создавать «усилители» колебаний переменного тока.

На этом я закончу экскурс в теорию работы радиолампы, поскольку уже совершенно ясно, что это описание работы построено на одном единственном постулате – электроны имеют отрицательный заряд, что и подтверждает практика использования, в частности, тех же радиоламп. Можно сказать даже больше. Всё дальнейшее развитие радиотехники, а затем и систем автоматики, вычислительной техники началось с принятия в качестве определённого постулата положения об отрицательном заряде электрона.

Ещё немного истории из «жизни» электрона.

В 1897 году Дж. Дж. Томсон измерил соотношение между массой и зарядом электрона e/m = -1,76*1011 Кл/кг (Кулон на килограмм).

В 1911 году Малликен измерил величину заряда электрона – 1,6*10-19 Кл. Эта величина являет собой то, что мы теперь приняли за единицу заряда.

Масса электрона составляет 9,1*10-19 грамм или 1/1837 массы атома водорода.

Если в атоме есть электроны в некотором количестве, то должен быть и равный положительный заряд, поскольку атом электронейтрален. Последнее следует отдельно прокомментировать.

Электронейтральность атома означает, что число протонов и число электронов в атоме всегда одинаково, или, что одно и то же — в атоме нет, и не может быть никаких лишних электронов.

Теперь, когда все данные у нас имеются, мы можем перейти к рассмотрению парадоксов, связанных непосредственно с электроном. Для этого мы рассмотрим картину «электронного облака», существующего около катода до момента подачи положительного напряжения на анод.

Эта картинка представлена на цветном рисунке, причём светло-жёлтый цвет здесь соответствует низкой концентрации электронов, а апельсиновый цвет – высокой концентрации электронов непосредственно около нагретого катода (представлено сечение облака).

Если все свойства электрона таковы, как об этом написано во всех учебниках, то той картинки, как это представлено на рисунке, не может быть, поскольку такая картина соответствует полному отсутствию какого-либо заряда у электрона. Это следует из того, что кулоновские силы при наличии заряда у электрона заставили бы их разлетаться от катода с огромной скоростью, и облако этих электронов исчезло бы полностью.

Самое парадоксальное в этой ситуации то, что в тот же момент, как мы подадим положительный потенциал на анод, у электрона, как будто, появляется отрицательный заряд, поскольку его поведение становится именно таким, как об этом и пишут в учебниках.

Но чудес подобного рода не бывает, а это означает, что у электрона, как у индивидуальной и самостоятельной частицы (в том числе и в радиолампе), нет, и не может быть какого-либо заряда. Зарядовые эффекты возникают, по-видимому, совершенно по другой причине.

Второй парадокс электрона связан с тем, что из катода излучаются материальные частицы, которые как будто имеют массу. К чему могло бы приводить такое излучение? Если бы мы поместили на точные весы радиолампу с разогретым катодом и при отсутствующем напряжении на аноде, мы должны были бы заметить уменьшение массы радиолампы. Это происходило бы потому, что излученные электроны оказываются в другой системе измерения, не связанной с системой катода радиолампы, что и должно было бы обнаруживать изменение (уменьшение) массы радиолампы.

Однако как бы мы ни старались, как бы мы ни повышали точность взвешивания, изменения массы радиолампы нам не удалось бы обнаружить совершенно.

Следовательно, парадоксальность вывода огромна. У электрона нет, и не может быть массы. Во всяком случае, у электрона нет никакой массы покоя. Термоэмиссия электронов вынуждает иначе взглянуть на существо материи как таковой.

Наконец, рассмотрим третий парадокс электрона, который также необходимо рассмотреть при отсутствующем на аноде напряжении. Дело в том, что химическая наука построена на том основании, что в молекуле (и атоме) нет ни одного лишнего электрона, поскольку при отсутствии хоть одного электрона у вещества будут меняться химические и физические свойства (валентность, кислотные или щелочные свойства). Физика, напротив, почему-то может предполагать, что эти лишние электроны в катоде радиолампы имеются в избытке.

Но этого не может быть хотя бы по той же модели атома Резерфорда-Бора, поскольку каждый электрон в атоме должен занимать вполне определённую орбиту и не может ни «упасть» на ядро атома, ни «уйти» со своей орбиты. Следовательно, избытка электронов в атоме и выхода каких-то «освобождающихся» от атомных структур электронов нет, и не может быть.

Можно высказать предположение, что «избыточные» электроны как-то порождены подведённой тепловой энергией, но тогда становится сомнительной знаменитая формула Эйнштейна, связывающая массу и энергию.

Разрешение этих парадоксов электрона связано с пересмотром многих современных основ физики и химии. Осмысление указанных парадоксов существенно влияет и на многие философские концепции. И всё сводится к тому, что изменять существующую систему взглядов придётся. Но для этого философам, физикам и химикам потребуется определённое мужество для признания факта столетних и устойчивых заблуждений.

Источник: Membrana

Теория одноэлектронной Вселенной — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Теория одноэлектронной Вселенной — гипотетическая модель Вселенной, в которой все электроны являются одним электроном, находящимся попеременно в разных точках пространства. Предпосылкой для создания гипотезы являлся принцип тождественности электронов, то есть невозможность экспериментально различить два электрона. Основоположником гипотезы считается Ричард Фейнман. Ввиду своей простоты гипотеза может быть сформулирована в рамках школьной программы по физике.

Формулировка

Рассмотрим для простоты двумерную Вселенную — одна ось пространства и одна ось времени. В пространстве-времени начертим произвольную кривую. Укажем направление обхода этой кривой. Выделим две части этой кривой: та часть, которая идёт вправо (синяя линия) и та часть, которая идёт влево (красная линия). Эти цвета соответствуют электрону и позитрону. Фрагментируем время: разделим ось времени на множество составляющих, при этом шаг разбиения может быть различным. Выберем на каждой полосе только одну составляющую кривой. Проделав всё это, мы имеем Вселенную, в которой в каждый момент времени всегда существует только один электрон, при этом может показаться что их несколько (на рисунке такое число достигает четырёх).

История создания

Фейнман пришёл к своей основной идее, когда он был студентом в Принстоне весной 1940 года, во время телефонного разговора со своим профессором физики Джоном Уилером. В речи при получении Нобелевской премии Фейнман следующим образом передаёт эту историю: «Фейнман, — сказал Уилер, — я знаю, почему все электроны обладают одним и тем же зарядом и одной и той же массой». «Почему?» — спросил Фейнман. «Потому, — ответил Уилер, — что все они являются одним и тем же электроном!»[1]

В 1948 году Ричард Фейнман разработал математический подход к квантовой теории, в котором античастица рассматривалась как частица, движущаяся обратно во времени.

Проблемы теории

  • Электронейтральность Вселенной. По этой теории число электронов должно быть или равным числу позитронов или отличаться на единицу. Однако во Вселенной количество электронов преобладает над количеством позитронов (вот почему, когда Уилер описал свою гипотезу, Фейнман сразу же спросил его: «Но, профессор, вокруг нас нет столько позитронов, сколько электронов». «Хорошо, — парировал Уилер, — может быть, они скрываются в протонах или ещё в чём-нибудь»).[1]
  • Трудности при объяснении некоторых реакций элементарных частиц.

См. также

Примечания


Электрон Википедия

Электрон (e, e−{\displaystyle e,~e^{-}})

Вероятностная картина местоположения единственного электрона в атоме
Состав фундаментальная частица
Семья Фермион
Группа Лептон
Участвует во взаимодействиях гравитационное[1], слабое и электромагнитное
Античастица Позитрон
Масса

9,1093837015(28)⋅10−31кг[2],
0,51099895000(15) МэВ[2],

5,48579909065(16)⋅10-4а.е.м.[2]
Время жизни ∞ (не менее 6,6⋅1028 лет[3][4])
Электрический заряд −1,6021766208(98)⋅10−19 Кл[2]
Барионное число 0
Лептонное число +1
Спин 1/2 ħ
Магнитный момент −9,2847647043(28)⋅10−24Дж/Тл[2]
Внутренняя чётность +1
Изотопический спин 0
 Медиафайлы на Викискладе

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον «янтарь»[5]) — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной (не имеющей, насколько это известно, составных частей) и является одной из основных структурных единиц вещества. Классифицируется как фермион (обладает спином, равным ½) и как лептон. Единственный (наравне со своей античастицей — позитроном) из известных заряженных лептонов, являющийся стабильным. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических, химических свойств вещества[6]. Движение электронов обусловливает протекание электрического тока во многих проводниках (в частности, в металлах). В рациональной системе единиц комптоновская длина волны электрона является единицей длины, а масса электрона — единицей массы.

Свойства

Заряд электрона был впервые непосредственно измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе (1911) и Р. Милликена (1912). Он равен −1,602176634⋅10−19Кл (точно)[2], или −4,803204712570263⋅10−10ед. заряда СГСЭ (точно) в системе СГСЭ, или −1,602176634⋅10−20 ед. СГСМ (точно) в системе СГСМ. В 2019 году основные единицы СИ были привязаны к фундаментальным константам; в частности, кулон привязан к элементарному электрическому заряду, поэтому численное значение заряда электрона по определению имеет абсолютную точность и указывается без погрешности[7].{11}} Кл/кг[2] — удельный заряд электрона.

s=12{\displaystyle s={\frac {1}{2}}} — спин электрона в единицах ℏ.{\displaystyle \hbar .}

В отличие от большинства других известных науке частиц, электрон стабилен (более точно, в пределах чувствительности эксперимента его время жизни не менее 6,6⋅1028 лет с 90%-й доверительной вероятностью[3]). Распад свободного электрона на нейтрино и фотоны запрещён законом сохранения электрического заряда, а распаду на другие элементарные частицы препятствует закон сохранения энергии.

Современная наука рассматривает электрон как фундаментальную элементарную частицу, не обладающую внутренней структурой и размерами[8]. Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10−20 см[9][10]. Проведённые до этого эксперименты по столкновению электронов высоких энергий давали более грубое ограничение на размеры: 10−17 см[11].

Внутренняя чётность электрона равна +1[12]. Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Примерами участия электрона в слабых взаимодействиях являются бета-распад и электронный захват. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов и легчайшей элементарной частицей, имеющей электрический заряд. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц — его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен 12, и, таким образом, электрон относится к фермионам.

Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причём магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент (добавка примерно 0,116 %). Магнитный момент электрона μe = -9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл[2]. В 1989 году Г. Демельту была присуждена Нобелевская премия по физике за измерение магнитного момента электрона с точностью до 13 знаков после запятой[9][10].

Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака), особенно в тех задачах, когда их общие свойства более существенны, чем различия. При таком выборе терминов отрицательно заряженный электрон называют[13] негатроном[14], положительно заряженный — позитроном.

Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматривается как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отличаться от массы электрона в вакууме.

Свободный электрон не может поглотить фотон, хотя и может рассеять его (см. эффект Комптона).

Благодаря своей малой массе электроны вследствие туннельного эффекта с лёгкостью проникают через потенциальные барьеры высотой в несколько электрон-вольт и толщиной примерно до десятка атомных диаметров. Явлением туннельного эффекта для электронов объясняется то, что электрический ток может протекать между металлическим электродом и ионами раствора или между двумя металлами, находящимися в контакте, несмотря на то, что поверхность металла обычно покрыта слоями окисла или загрязнена[15].

Отношение электрического заряда к массе для электрона во много раз превышает аналогичное отношение для любой другой элементарной частицы или системы частиц. Электроны можно получать из твёрдых тел относительно легко по сравнению с любыми другими частицами. Эти два обстоятельства лежат в основе многочисленных применений электронов в электровакуумных приборах[16].

Этимология и история открытия

Название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь»: ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты — куски янтаря тёрли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Термин «электрон» как название фундаментальной неделимой единицы заряда в электрохимии был предложен[17]Дж. Дж. Стоуни в 1894 году (сама единица была введена им в 1874 году). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту[18][19] и Дж. Дж. Томсону, которые в 1897 году установили, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника.{2}} она равна λ=hcE{\displaystyle \lambda ={\frac {hc}{E}}}, где c{\displaystyle c} — скорость света, E{\displaystyle E} — энергия электрона.

В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 году американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном[20][21].

Открытие электрона и возможностей его применения в разнообразных технических устройствах привело к возникновению большого числа новых понятий современной физики.[22]

Использование

Эксперименты с трубкой Крукса впервые продемонстрировали природу электронов

В большинстве источников низкоэнергетичных электронов используются явления термоэлектронной эмиссии и фотоэлектронной эмиссии. Высокоэнергетичные, с энергией от нескольких кэВ до нескольких МэВ, электроны излучаются в процессах бета-распада и внутренней конверсии радиоактивных ядер. Электроны, излучаемые в бета-распаде, иногда называют бета-частицами или бета-лучами. Источниками электронов с более высокой энергией служат ускорители.

Движение электронов в металлах и полупроводниках позволяет легко переносить энергию и управлять ею. Это явление (электрический ток) является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках крайне мала (~0,1—1 мм/с), однако электрическое поле распространяется со скоростью света. В связи с этим ток во всей цепи устанавливается практически мгновенно.

Пучки электронов, ускоренные до больших энергий, например, в линейных ускорителях, являются одним из основных средств изучения строения атомных ядер и природы элементарных частиц. Более прозаическим применением электронных лучей являются телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) — кинескопами. Электронный микроскоп также использует способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. Ещё ускоренные электронные лучи применяются для создания рентгеновского излучения: при попадании электронного пучка в металлическую мишень происходит рассеяние электронов на электростатическом поле атомных ядер и электронов и генерация тормозного излучения. До изобретения транзисторов практически вся радиотехника и электроника были основаны на вакуумных электронных лампах, где применяется управление движением электронов в вакууме электрическими (иногда и магнитными) полями. Электровакуумные приборы (ЭВП) продолжают ограниченно использоваться и в наше время. Наиболее распространённые применения — магнетроны в генераторах микроволновых печей и вышеупомянутые электронно-лучевые трубки в телевизорах и мониторах.

Электронные пучки используются в устройствах для очистки дымовых газов[23] и в буровых установках для бурения скальных пород[24].

Электрон как квазичастица

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы[25]. Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором[26].

Электрон и Вселенная

Согласно теории Большого взрыва, через сотую долю секунды после начала разширения, вселенная состояла из смеси электронов, позитронов, нейтрино, фотонов, протонов и нейтронов. На каждые протон и нейтрон приходилось примерно по миллиарду электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. Примерно через 14 секунд после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до 3 млрд градусов, почти все электроны аннигилировали с позитронами[27].

Известно[28], что из каждых 100 нуклонов во Вселенной 87 являются протонами и 13 — нейтронами (последние в основном входят в состав ядер гелия). Для обеспечения общей нейтральности вещества число протонов и электронов должно быть одинаково.{-8}} см[30].

Радиоизлучение радиогалактик и пульсаров объясняется синхротронным излучением электронов в магнитных полях около этих объектов. Доля электронов с энергией, превышающей 1 ГэВ, в первичных космических лучах составляет около 1 % от общего потока[31].

Давление вырожденного электронного газа играет важную роль на заключительном этапе эволюции звёзд. Звёзды с массой меньше чандрасекаровского предела после охлаждения стабилизируются давлением вырожденного электронного газа и превращаются в белые карлики. В звёздах с большей массой атомные ядра захватывают электроны и распадаются на нейтроны (нейтронная звезда)[32]. Ядерные реакции с участием электронов и позитронов играют важную роль при взрывах сверхновых звёзд[33].

С электроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины[34]:

Все электроны во Вселенной абсолютно одинаковы по своим свойствам. Если обозначить величину электрического заряда электрона как e{\displaystyle e}, то электрические заряды всех известных элементарных частиц, за исключением кварков, равны ±e,0{\displaystyle \pm e,0}, а электрические заряды кварков равны ±13e,±23e{\displaystyle \pm {\frac {1}{3}}e,\pm {\frac {2}{3}}e}. Масса электрона резко выделяется в распределении известных элементарных частиц по массам[35]. Классический радиус электрона почти равен радиусу действия ядерных сил[36][37][38]. Можно ли вывести величину электрического заряда электрона из других мировых констант (скорости света, постоянной Планка, гравитационной постоянной)[39]? Имеет ли смысл вопрос о размере электрона? Зависит ли размер электрона от условий опытов[40]? Ответы на эти вопросы пока неизвестны (см. Нерешённые проблемы современной физики).

Если бы масса электрона превышала разность масс нейтрона и протона, то химический состав Вселенной изменился бы коренным образом. В ней отсутствовал бы водород, а следовательно, звёзды в их обычном понимании, жизнь и разум. Поэтому, возможно, малая масса электрона обусловлена антропным принципом[41].

Если бы электрон имел целый спин, то принцип Паули бы для него не выполнялся. Как следствие, во всех атомах отсутствовали бы электронные оболочки, и все атомы были бы химически инертны. Во Вселенной отсутствовали бы молекулы, химические соединения и жизнь, подобная нашей.[источник не указан 778 дней]

Орбиталь

Для описания атомных и молекулярных многоэлектронных систем вместо точного решения уравнения Шрёдингера приходится обращаться к тем или иным приближениям, одним из которых является одноэлектронное, также называемое орбитальным. В его основе лежит представление о существовании индивидуальных состояний каждого электрона, которые представляют собой стационарные состояния движения электрона в некотором эффективном поле, создаваемом ядром (или ядрами) и всеми остальными электронами. Эти стационарные состояния описываются соответствующими одноэлектронными функциями[42] — орбиталями.

Электрон в произведениях искусства

  • В. Брюсов посвятил электрону своё стихотворение «Мир электрона».

Примечания

  1. Иванов И. Удивительный мир внутри атомного ядра: Научно-популярная лекция для школьников. ФИАН, 11 сентября 2007 года.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Fundamental Physical Constants — Complete Listing. CODATA. NIST.
  3. 1 2 Agostini M. et al. (Borexino Coll.). Test of Electric Charge Conservation with Borexino (англ.) // Physical Review Letters. — 2015. — Vol. 115, iss. 23. — P. 231802. — doi:10.1103/PhysRevLett.115.231802. — arXiv:1509.01223.
  4. Back H. O. et al. (Borexino Coll.). Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector (англ.) // Phys. Lett. B. — 2002. — Vol. 525, iss. 1—2. — P. 29—40. — doi:10.1016/S0370-2693(01)01440-X. — Bibcode: 2002PhLB..525…29B.
  5. ↑ Также то же, что и электрум: «янтарного цвета сплав золота (80 %) с серебром (20 %)» (Черных П. Я. Историко-этимологический словарь).
  6. Ельяшевич М. А. Атом // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 146—151. — 707 с. — 100 000 экз.
  7. ↑ Единица заряда СГСЭ (франклин или статкулон) определена как 110⋅c{\displaystyle {\frac {1}{10\cdot c}}} Кл = (2 997 924 580)−1 Кл (точно), где c — числовое значение скорости света в вакууме в единицах СИ (м/с), по определению равное 2 997 924 580. Единица заряда СГСМ, которую иногда называют абкулон, определена как 10 Кл. Поэтому элементарный заряд, выраженный в единицах заряда СГСЭ и СГСМ, также имеет точное значение.
  8. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М.: Просвещение, 1984. — С. 82. — 30 000 экз.
  9. 1 2 Демельт Х. Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей. [(Нобелевская лекция)] (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1990. — Т. 160, вып. 12. — С. 129—139.
  10. 1 2 Nobel lecture, December, 8, 1989, Hans D. Dehmelt Experiments with an isolated subatomic particle at rest
  11. Смондырев М. А. Квантовая электродинамика на малых расстояниях (рус.) // Природа. — Наука, 1980. — № 9. — С. 74—77.
  12. ↑ Широков, 1972, с. 67.
  13. ↑ По предложению Карла Андерсона, открывшего позитрон в 1932 году.
  14. Beuermann K. P. et al. Cosmic-Ray Negatron and Positron Spectra Between 12 and 220 MeV // Phys. Rev. Lett.. — 1969. — Vol. 22. — P. 412—415. — doi:10.1103/PhysRevLett.22.412.
    Ejiri H. Difference between Log ft Values of Negatron Decays and Positron Decays from Odd-Odd Nuclei to Even-Even Nuclei // J. Phys. Soc. Jpn.. — 1967. — Vol. 22. — P. 360—367. — doi:10.1143/JPSJ.22.360.
    Из статьи Skibo J. G., Ramaty R. Primary and Secondary Cosmic Ray Positrons and Electrons // 23rd International Cosmic Ray Conference. — 1993. — Vol. 2. — P. 132—135. — Bibcode: 1993ICRC….2..132S.: «Hereafter, the term electron will refer to positrons and negatrons».
  15. Мотт Н., Снеддон И. Волновая механика и её применения. — М: Наука, 1966. — С. 30. — 9400 экз.
  16. Спроул Р. Современная физика. — М.: Наука, 1974. — С. 18. — 34 000 экз.
  17. Stoney G. J. Of the ‘Electron,’ or Atom of Electricity] (англ.) // Philosophical Magazine. Series 5. — 1894. — Vol. 38. — P. 418—420.
  18. Wiechert E. Über das Wesen der Elektrizität (нем.) // Schriften der Physikalisch-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg in Preußen. — 7 Jan. 1897. — Bd. 38, H. 1. — S. 3—12.
    Wiechert E. Experimentelles über die Kathodenstrahlen (нем.) // Schriften der Physikalisch-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg in Preußen. — 7 Jan. 1897. — Bd. 38, H. 1. — S. 12—16.
  19. Быков Г. В. К истории открытия электрона // Вопросы истории естествознания и техники. — 1963. — Вып. 15. — С. 25—29.
  20. Thomson G. P. The Septuagenarian Electron (англ.) // Phys. Today. — 1967. — Vol. 20, iss. 5. — P. 55.; Пер. с англ.: Томсон Г. П. Семидесятилетний электрон (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1968. — Т. 94, вып. 2. — С. 361—370. — doi:10.3367/UFNr.0094.196802f.0361.
  21. Томсон Г. П. Ранний этап изучения дифракции электронов (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1969. — Т. 99, вып. 11. — С. 455—468. — doi:10.3367/UFNr.0099.196911d.0455.
  22. Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. — М., Мир, 1985. — с. 25
  23. Екатерина Зубкова. БИНТИ Ускорители для очистки дымовых газов электростанций (рус.) // Наука и жизнь. — 2017. — № 10. — С. 40—41.
  24. Екатерина Зубкова. БИНТИ Пробурить скважину к глубинному теплу (рус.) // Наука и жизнь. — 2017. — № 10. — С. 41.
  25. Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. — М.-Л.: Наука, 1967. — С. 103.
  26. Давыдов А. С. Теория твердого тела. — М.: Мир, 1979. — С. 122.
  27. Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Эксмо, 2011. — 208 с. — ISBN 978-5-699-46169-1.
  28. Boyd R. N. Big bang nucleosynthesis (англ.) // Nuclear Physics A. — 2001. — Vol. 693, no. 1—2. — P. 249—257. — doi:10.1016/S0375-9474(00)00707-7.
  29. ↑ Astrophysical Constants and Parameters
  30. Смородинский Я. А. Законы и парадоксы элементарных частиц // Физика наших дней. Сборник. — М.: Знание, 1972. — С. 90—91.
  31. Дорман Л. И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. — М.: Наука, 1975. — 464 с.
  32. ↑ Широков, 1972, с. 552.
  33. ↑ Широков, 1972, с. 558.
  34. Щёлкин К. И. Физика микромира. — М.: Атомиздат, 1965. — 230 с.
  35. Розенталь И. Л., Архангельская И. В. Геометрия, динамика, Вселенная. — М.: Едиториал УРСС, 2003. — С. 175. — ISBN 5-354-00413-6.
  36. Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. — М.: Атомиздат, 1977. — С. 103.
  37. Бор Н. Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике // Атомная физика и человеческое познание. — М.: ИЛ, 1961. — С. 92.
  38. Розенфельд Л. Квантовая электродинамика // Нильс Бор и развитие физики. — М.: ИЛ, 1958. — С. 115.
  39. Иваненко Д. Д. Элементарные частицы // Очерки развития основных физических идей. — М.: АН СССР, 1959. — С. 427. — 5000 экз.
  40. Пономарев Л. И. По ту сторону кванта. — М.: Молодая гвардия, 1971. — С. 43.
  41. Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. — М.: Наука, 1988. — 141 с. — ISBN 5-02-013881-9.
  42. ↑ Дмитриев, Электрон глазами химика, 1986, с. 65.

Литература

  • Все известные свойства электрона систематизированы в обзоре Particle Data Group [1] (англ.).
  • Бронштейн М. П. Атомы и электроны. — М.: Наука. — 1980. — 152 с., Библиотечка «Квант», вып. 1. Тир. 150000 экз.
  • Дмитриев И.С. Электрон глазами химика / 2-е изд., испр.. — Л.: Химия, 1986. — 225 с.
  • Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
  • Буравихин В. А., Егоров В. А. Биография электрона. — М.: Знание, 1985. — 136 с.

электронов и видимый спектр. В модели Бора существование цвета показало, что существуют разные уровни энергии. В модели Бора.

Презентация на тему: «Электроны и видимый спектр. В модели Бора наличие цвета показывает, что существуют разные уровни энергии. В модели Бора». — Транскрипт презентации:

1 Электроны и видимый спектр

2 В модели Бора существование цвета показало, что существуют разные уровни энергии.В модели Бора существование цвета показало, что существуют разные уровни энергии. Основное состояние — состояние с наименьшей энергией электрона. Основное состояние — состояние с наименьшей энергией электрона. Возбужденное состояние — электрон на более высоком уровне, чем основное состояние. Возбужденное состояние — электрон на более высоком уровне, чем основное состояние.

3 Цвет и ионы металлов Когда к металлу добавляется тепло или электричество, некоторые электроны становятся возбужденными и покидают основное состояние, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень.Когда к металлу добавляется тепло или электричество, некоторые электроны становятся возбужденными и покидают основное состояние, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень. Электроны в конечном итоге вернутся в свое основное состояние и высвободят свою энергию в виде тепла или света. Электроны в конечном итоге вернутся в свое основное состояние и высвободят свою энергию в виде тепла или света. Частота этой высвобождаемой энергии определяет цвет, который мы видим. Частота этой высвобождаемой энергии определяет цвет, который мы видим.

4 Чем больше скачок (и падение), тем выше частота, которую мы видим. Низкочастотный свет может быть получен при падении со 2-го уровня на 1-й, а высокочастотный может быть получен при падении с 6-го уровня на 2-й. Чем больше скачок (и падение), тем выше частота, которую мы видим. Низкочастотный свет может быть получен при падении со 2-го уровня на 1-й, а высокочастотный может быть получен при падении с 6-го уровня на 2-й.I R  R  O  Y  G  B  I  V  UV I R  R  O  Y  G B  I  V  UV Низкая частота Высокая частота Низкая частота Высокая частота

5 Примеры фейерверков Фейерверки Ракеты

6 Лампочка — Лампочка — (Вольфрам) (Вольфрам) Пожарные журналы — Пожарные журналы —


7 Неоновые вывески — Неоновые вывески — Уличные фонари — Уличные фонари — (Натриевая лампа) (Натриевая лампа)

Квантовые числа и электронные конфигурации

Квантовые числа и электронные конфигурации

Квантовые числа и электрон Конфигурации


Квантовые числа

Модель Бора была одномерной моделью, которая использовала одно квантовое число для описания распределение электронов в атоме.Единственная важная информация — это размер . орбиты, которая описывалась квантовым числом n . Модель Шредингера позволил электрону занять трехмерное пространство. Следовательно, потребовалось три координаты или три квантовых числа , чтобы описать орбитали, на которых электроны может быть найден.

Три координаты, которые происходят из волновых уравнений Шредингера, являются главными ( n ), угловые ( l ) и магнитные ( m ) квантовые числа.Эти квантовые числа описывают размер, форму и ориентацию в пространстве орбиталей атома.

Главное квантовое число ( n ) описывает размер орбитали. Например, орбитали, для которых n = 2, больше, чем те, для которых n = 1. Поскольку они имеют противоположные электрические заряды, электроны притягиваются к ядру атом. Следовательно, для возбуждения электрона с орбитали, на которой электрон приближается к ядру ( n = 1) на орбиталь, в которой он находится дальше из ядра ( n = 2).Поэтому главное квантовое число косвенно описывает энергию орбитали.

Угловое квантовое число ( l ) описывает форму орбитали. Орбитали имеют форму, которую лучше всего описать как сферическую ( l = 0), полярную ( l = 0). = 1) или клеверный лист ( l = 2). Они могут даже принимать более сложные формы, поскольку углового квантового числа становится больше.

Существует только один способ ориентирования сферы ( l = 0) в пространстве.Однако орбитали полярной ( l = 1) или клеверной ( l = 2) формы могут указывают в разные стороны. Поэтому нам нужно третье квантовое число, известное как магнитное число . квантовое число ( м ), чтобы описать ориентацию в пространстве определенного орбитальный. (Его называют магнитным квантовым числом , , потому что влияние различных ориентации орбиталей впервые наблюдались в присутствии магнитного поля.)


Правила, регулирующие допустимые комбинации Квантовые числа

  • Три квантовых числа ( n , l и m ), которые описывают орбитальную являются целыми числами: 0, 1, 2, 3 и т. д.
  • Главное квантовое число ( n ) не может быть нулевым. Допустимые значения n поэтому равны 1, 2, 3, 4 и т. д.
  • Угловое квантовое число ( l ) может быть любым целым числом от 0 до n — 1. Если n = 3, например, l может быть 0, 1 или 2.
  • Магнитное квантовое число ( m ) может быть любым целым числом от — l . и + л . Если l = 2, m может быть -2, -1, 0, +1 или +2.


Оболочки и подоболочки орбиталей

Орбитали с одинаковым значением главного квантового числа образуют оболочку .Орбитали внутри оболочки делятся на подоболочек , которые имеют то же значение угловое квантовое число. Химики описывают оболочку и подоболочку, в которых орбитальный принадлежит с двухсимвольным кодом, например 2 p или 4 f . Первый персонаж обозначает оболочку ( n = 2 или n = 4). Второй символ обозначает подоболочка. По соглашению следующие строчные буквы используются для обозначения различных подоболочки.

с : л = 0
п. : л = 1
d : л = 2
f : л = 3

Хотя в первых четырех буквах нет шаблона ( s , p , d , f ), буквы перемещаются в алфавитном порядке с этой точки ( g , h и т. д.).Несколько допустимых комбинаций квантовых чисел n и l показаны в рисунок ниже.

Третье правило, ограничивающее допустимые комбинации n , l и m квантовые числа имеют важное следствие. Он заставляет количество подоболочек в оболочке быть равным главному квантовому числу оболочки. Оболочка n = 3, для Например, содержит три подоболочки: 3 s , 3 p и 3 d орбиталей.


Возможные комбинации квантовых чисел

В оболочке n = 1 только одна орбиталь, потому что в ней есть только один путь. который сфера может быть ориентирована в пространстве. Единственная допустимая комбинация квантовых чисел для которого n = 1 следующее.

В оболочке n = 2 четыре орбитали.

2 1 -1
2 1 0 2п
2 1 1

В подоболочке 2 s есть только одна орбиталь.Но есть три орбитали в подоболочка 2 p , потому что существует три направления, в которых орбитальная оболочка p может точка. Одна из этих орбиталей ориентирована по оси X , другая — по оси Y . ось, а третья — по оси Z системы координат, как показано на рисунке ниже. Следовательно, эти орбитали известны как 2 p x , 2 p y , и 2 p z орбиталей.

В оболочке n = 3 девять орбиталей.

n л м
3 0 0 3 с
3 1 -1
3 1 0 3 п.
3 1 1
3 2 -2
3 2 -1 3 г
3 2 0
3 2 1
3 2 2

В подоболочке 3 s есть одна орбиталь, а в подоболочке 3 p — три орбитали. подоболочка.Однако оболочка n = 3 включает также 3 орбитали d .

Пять различных ориентаций орбиталей в подоболочке 3 d показаны на рисунок ниже. Одна из этих орбиталей лежит в плоскости XY самолета XYZ . системы координат и называется орбитальной 3 d xy . 3 d xz и 3 d yz орбитали имеют одинаковую форму, но лежат между осями система координат в плоскостях XZ и YZ .Четвертая орбиталь в этом подоболочка лежит вдоль осей X и Y и называется 3 d x 2 y 2 орбитальный. Большая часть пространства, занимаемого пятой орбиталью, лежит вдоль оси Z и эта орбиталь называется орбиталью 3 d z 2 .

Число орбиталей в оболочке — это квадрат главного квантового числа: 1 2 = 1, 2 2 = 4, 3 2 = 9.В подоболочке с ( l ) имеется одна орбиталь. = 0), три орбитали в подоболочке p ( l = 1) и пять орбиталей в подоболочке d подоболочка ( л = 2). Таким образом, количество орбиталей в подоболочке равно 2 ( l ) + 1.

Прежде чем мы сможем использовать эти орбитали, нам нужно знать количество электронов, которые могут занимают орбиталь и как их можно отличить друг от друга. Экспериментальный данные свидетельствуют о том, что орбиталь может содержать не более двух электронов.

Чтобы различать два электрона на орбитали, нам нужен четвертый квант количество. Это называется спиновым квантовым числом ( s ), потому что электроны ведут себя как если бы они вращались либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Один из электронам на орбитали произвольно приписывается квантовое число s +1/2, другому присваивается квантовое число с -1/2. Таким образом, требуется три квантовых числа чтобы определить орбитальное, но четыре квантовых числа, чтобы идентифицировать один из электронов, который может занимают орбиталь.

Допустимые комбинации квантовых чисел n , l и m для Первые четыре снаряда приведены в таблице ниже. Для каждой из этих орбиталей есть два допустимые значения спинового квантового числа, с .


Сводка допустимых комбинаций квантовых Номера

n л м Обозначение подоболочки Число орбиталей в подоболочке Число электронов, необходимых для заполнения подоболочки Общее количество электронов в подоболочке
1 0 0 1 2 2
2 0 0 1 2
2 1 1,0, -1 2п 3 6 8
3 0 0 1 2
3 1 1,0, -1 3 пол. 3 6
3 2 2,1,0, -1, -2 3d 5 10 18
4 0 0 4s 1 2
4 1 1,0, -1 4 пол. 3 6
4 2 2,1,0, -1, -2 5 10
4 3 3,2,1,0, -1, -2, -3 4f 7 14 32


Относительные энергии атомных орбиталей

Из-за силы притяжения между объектами с противоположным зарядом наибольшая важным фактором, влияющим на энергию орбитали, является ее размер и, следовательно, значение главного квантового числа, n .Для атома, содержащего только один электрон, нет никакой разницы между энергиями различных подоболочек внутри оболочки. В 3 s , 3 p и 3 d орбиталей, например, имеют одинаковую энергию в атом водорода. Модель Бора, которая определяла энергии орбит в терминах ничего больше, чем расстояние между электроном и ядром, поэтому работает для этого атом.

Однако атом водорода необычен.Как только атом содержит более одного электрона разные подоболочки больше не имеют одинаковой энергии. Внутри данной оболочки орбитали s всегда имеют самую низкую энергию. Энергия подоболочек постепенно становится больше по мере увеличения значения углового квантового числа.

Относительные энергии: с < p < d < f

В результате два фактора контролируют энергию орбиты для большинства атомы: размер орбитали и ее форма, как показано на рисунке ниже.

Можно сконструировать очень простое устройство для оценки относительной энергии атомных орбиталей. Допустимые комбинации квантов n и l числа организованы в таблицу, как показано на рисунке ниже, а стрелки нарисованы на 45 углы градусов, указывающие на нижний левый угол таблицы.

Затем считывают порядок увеличения энергии орбиталей, следуя этим стрелки, начиная с верхней части первой строки и затем переходя ко второй, третьей, четвертые строки и так далее.Эта диаграмма предсказывает следующий порядок увеличения энергии для атомных орбиталей.

1 с <2 с <2 p <3 с <3 p <4 с <3 с <4 с <5 с <4 с <5 с <6 с <4 с <5 с <6 с <7 с <5 с <6 d <7 p <8 s


Электронные конфигурации, принцип Ауфбау, Вырожденные орбитали и правило Хунда

Электронная конфигурация атома описывает орбитали, занятые электроны на атоме. В основе этого прогноза лежит правило, известное как aufbau. принцип , который предполагает, что электроны добавляются к атому по одному, начиная с самой низкой энергетической орбиталью, пока все электроны не будут помещены в соответствующий орбитальный.

Атом водорода ( Z = 1) имеет только один электрон, который переходит в наименьшую энергию орбитальный, 1 s орбитальный. На это указывает надстрочный индекс «1». после символа орбиты.

H ( Z = 1): 1 с 1

Следующий элемент имеет два электрона, и второй электрон заполняет орбиталь 1 s . потому что есть только два возможных значения спинового квантового числа, используемого для различения между электронами на орбитали.

He ( Z = 2): 1 с 2

Третий электрон переходит на следующую орбиталь на энергетической диаграмме 2 с орбитальный.

Li ( Z = 3): 1 с 2 2 с 1

Четвертый электрон заполняет эту орбиталь.

Be ( Z = 4): 1 с 2 2 с 2

После заполнения орбиталей 1 с и 2 с , следующая наименьшая энергия орбитали — это три орбитали 2 p .Пятый электрон, следовательно, переходит в один из эти орбитали.

B ( Z = 5): 1 с 2 2 с 2 2 p 1

Когда приходит время добавить шестой электрон, электронная конфигурация очевидна.

C ( Z = 6): 1 с 2 2 с 2 2 p 2

Однако в подоболочке 2 p есть три орбитали.Второй электрон идет на ту же орбиталь, что и первая, или переходит на одну из других орбиталей в эта подоболочка?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно понять концепцию вырожденных орбиталей . По По определению, орбитали вырождены , когда они имеют одинаковую энергию. Энергия орбиталь зависит как от ее размера, так и от формы, потому что электрон тратит больше время дальше от ядра атома по мере того, как орбиталь становится больше или форма становится более сложным.Однако в изолированном атоме энергия орбитали не зависят от направления, в котором он указывает в пространстве. Орбитали, которые отличаются только своим ориентация в пространстве, например 2 p x , 2 p y и 2 p z орбитали, следовательно, вырождены.

Электроны заполняют вырожденные орбитали в соответствии с правилами, впервые сформулированными Фридрихом Хундом. Hund’s правила можно резюмировать следующим образом.

  • Один электрон добавляется к каждой из вырожденных орбиталей в подоболочке перед двумя электроны добавляются к любой орбитали подоболочки.
  • Электронов добавляются в подоболочку с тем же значением спинового квантового числа, пока каждая орбиталь подоболочки имеет по крайней мере один электрон.

Когда приходит время поместить два электрона в подоболочку 2 p , мы помещаем один электрон на каждую из двух этих орбиталей.(Выбор между 2 p x , 2 p y и 2 p z орбитали являются чисто произвольными.)

C ( Z = 6): 1 с 2 2 с 2 2 p x 1 2 п л 1

Тот факт, что оба электрона в подоболочке 2 p имеют одинаковый спин квантовое число может быть показано представлением электрона, для которого с = +1/2 с

стрелка вверх и электрон, для которого с = -1/2 со стрелкой, указывающей вниз.

Следовательно, электроны на орбиталях 2 p на углероде могут быть представлены как следует.

Когда мы дойдем до N ( Z = 7), мы должны поместить по одному электрону в каждый из трех вырожденные 2 p орбиталей.

N ( Z = 7): 1 с 2 2 с 2 2 п 3

Поскольку каждая орбиталь в этой подоболочке теперь содержит один электрон, следующий электрон добавленный к подоболочке должен иметь противоположное квантовое число спина, тем самым заполняя одно из орбитали 2 p .

O ( Z = 8): 1 с 2 2 с 2 2 п 4

Девятый электрон заполняет вторую орбиталь этой подоболочки.

F ( Z = 9): 1 с 2 2 с 2 2 п 5

Десятый электрон завершает подоболочку 2 p .

Ne ( Z = 10): 1 с 2 2 с 2 2 п 6

Есть что-то необычно стабильное в атомах, таких как He и Ne, у которых есть электроны. конфигурации с заполненными оболочками орбиталей.Поэтому по соглашению мы пишем сокращенные электронные конфигурации с точки зрения количества электронов за пределами предыдущий элемент с электронной конфигурацией заполненной оболочки. Электронные конфигурации следующие два элемента в периодической таблице, например, можно было бы записать следующим образом.

Na ( Z = 11): [Ne] 3 с 1

Mg ( Z = 12): [Ne] 3 с 2

Процесс aufbau можно использовать для прогнозирования электронной конфигурации элемента.Фактическая конфигурация, используемая элементом, должна быть определена экспериментально. В экспериментально определенные электронные конфигурации для элементов первых четырех рядов периодической таблицы Менделеева приведены в таблице в следующем разделе.


Электронные конфигурации элементов

(элементы 1-го, 2-го, 3-го и 4-го рядов)

Атомный номер Символ Электронная конфигурация
1 H 1 с 1
2 He 1 с 2 = [He]
3 Li [He] 2 с 1
4 Be [He] 2 с 2
5 B [He] 2 s 2 2 p 1
6 С [He] 2 s 2 2 p 2
7 N [He] 2 s 2 2 p 3
8 O [He] 2 s 2 2 p 4
9 F [He] 2 s 2 2 p 5
10 Ne [He] 2 s 2 2 p 6 = [Ne]
11 Na [Ne] 3 с 1
12 мг [Ne] 3 с 2
13 Al [Ne] 3 с 2 3 с 1
14 Si [Ne] 3 с 2 3 с 2
15 -п. [Ne] 3 с 2 3 с 3
16 S [Ne] 3 с 2 3 с 4
17 Класс [Ne] 3 с 2 3 с 5
18 Ar [Ne] 3 с 2 3 p 6 = [Ar]
19 К [Ar] 4 с 1
20 Ca [Ar] 4 с 2
21 SC [Ar] 4 с 2 3 d 1
22 Ti [Ar] 4 с 2 3 d 2
23 В [Ar] 4 с 2 3 d 3
24 Cr [Ar] 4 с 1 3 d 5
25 Mn [Ar] 4 с 2 3 d 5
26 Fe [Ar] 4 с 2 3 d 6
27 Co [Ar] 4 с 2 3 d 7
28 Ni [Ar] 4 с 2 3 d 8
29 Cu [Ar] 4 с 1 3 d 10
30 Zn [Ar] 4 с 2 3 d 10
31 Ga [Ar] 4 s 2 3 d 10 4 p 1
32 Ge [Ar] 4 s 2 3 d 10 4 p 2
33 как [Ar] 4 s 2 3 d 10 4 p 3
34 SE [Ar] 4 s 2 3 d 10 4 p 4
35 Br [Ar] 4 s 2 3 d 10 4 p 5
36 Кр [Ar] 4 s 2 3 d 10 4 p 6 = [Kr]


Исключения из прогнозируемых электронных конфигураций

Есть несколько шаблонов в электронных конфигурациях, перечисленных в таблице в предыдущий раздел.Одним из самых поразительных является поразительный уровень согласия между эти конфигурации и конфигурации, которые мы могли бы спрогнозировать. Есть только два Исключения среди первых 40 элементов: хром и медь.

Строгое соблюдение правил процесса aufbau предсказывает следующее: электронные конфигурации для хрома и меди.

предсказанные электронные конфигурации: Cr ( Z = 24): [Ar] 4 с 2 3 d 4
Cu ( Z = 29): [Ar] 4 с 2 3 d 9

Экспериментально определенные конфигурации электронов для этих элементов слегка другой.

актуальные электронные конфигурации: Cr ( Z = 24): [Ar] 4 s 1 3 d 5
Cu ( Z = 29): [Ar] 4 с 1 3 d 10

В каждом случае один электрон был переведен с орбитали 4 s на орбиталь 3 d орбитали, хотя предполагается, что орбитали 3 d находятся на более высоком уровне, чем 4 с орбитальный.

Как только мы выйдем за пределы атомного номера 40, разница между энергиями соседних орбитали достаточно малы, чтобы переносить электрон с одного орбитально к другому. Большинство исключений из электронной конфигурации, предсказанных из поэтому показанная ранее диаграмма aufbau встречается среди элементов с атомными номерами больше 40. Хотя заманчиво сосредоточить внимание на горстка элементов, электронные конфигурации которых отличаются от предсказанных с диаграммой aufbau удивительно то, что эта простая диаграмма работает для очень многих элементы.


Электронные конфигурации и периодическая таблица

Когда данные электронной конфигурации расположены так, что мы можем сравнивать элементы в одном из горизонтальные строки периодической таблицы, мы обнаруживаем, что эти строки обычно соответствуют заполнение оболочки орбиталей. Вторая строка, например, содержит элементы в которой заполнены орбитали в оболочке n = 2.

Li ( Z = 3): [He] 2 с 1
Be ( Z = 4): [He] 2 с 2
B ( Z = 5): [He] 2 s 2 2 p 1
C ( Z = 6): [He] 2 s 2 2 p 2
N ( Z = 7): [He] 2 s 2 2 p 3
O ( Z = 8): [He] 2 s 2 2 p 4
F ( Z = 9): [He] 2 s 2 2 p 5
Ne ( Z = 10): [He] 2 s 2 2 p 6

В вертикальных столбцах или группах периодических стол тоже.Элементы в группе имеют схожую конфигурацию самых внешних электроны. Это соотношение можно увидеть, посмотрев на электронные конфигурации элементы в столбцах по обе стороны периодической таблицы.

Группа IA Группа VIIA
H 1 с 1
Li [He] 2 с 1 F [He] 2 s 2 2 p 5
Na [Ne] 3 с 1 Класс [Ne] 3 с 2 3 с 5
К [Ar] 4 с 1 Br [Ar] 4 s 2 3 d 10 4 p 5
руб. [Kr] 5 с 1 I [Kr] 5 s 2 4 d 10 5 p 5
CS [Xe] 6 с 1 по адресу [Xe] 6 s 2 4 f 14 5 d 10 6 p 5

На рисунке ниже показана взаимосвязь между периодической таблицей и орбиталями. заполняется во время процесса aufbau.Два столбца в левой части периодической таблица соответствует заполнению орбитали с . Следующие 10 столбцов включают элементы, в которых заполнены пять орбиталей в подоболочке d . Шесть столбцов на справа представляют заполнение трех орбиталей в подоболочке p . Наконец, 14 столбцов внизу таблицы соответствуют заполнению семи орбиталей в подоболочка f .


Урок девятого класса Введение в электронные орбитальные уровни

После того, как я проштамповал разминку, я прошу учеников назвать один орбитальный подуровень.(Я ожидаю, что на этом этапе студенты будут выкрикивать ответы — мы разработали более разговорный стиль обсуждения в классе, когда я задаю вопросы, если я не предваряю вопрос словами «Не отвечайте вслух — я просто хочу, чтобы вы думали об этом «студенты должны озвучивать свои ответы.)

Я ожидаю, что студенты ответят буквами s, p, d или f в определенном порядке. Когда студенты называют орбитальные подуровни, я перечисляю их на доске. Некоторым учащимся может потребоваться некоторое время, чтобы соединить этот «орбитальный подуровень» с обозначениями s, p, d и f.Как только один ученик правильно озвучивает подуровень, я ожидаю, что остальная часть класса довольно быстро присоединится к остальным.

Затем я раздаю первую часть сегодняшнего задания: подуровни электронных орбит в периодической таблице.

Я говорю студентам, что они могут использовать наборы классных маркеров, цветные карандаши, мелки или любые другие принадлежности, которые у них есть индивидуально, чтобы выбрать 4 цвета для цветового кодирования своих раздаточных материалов периодической таблицы с 4 различными подуровнями электронной орбиты. Я поднимаю рекламный проспект и спрашиваю класс, заметили ли они что-нибудь внизу страницы под Периодической таблицей.Я надеюсь, что студент ответит описанием предоставленного ключа цветовой кодировки. Я говорю студентам, что они могут использовать любые цвета, которые захотят, при условии, что мы можем сказать по их ключу, какой цвет принадлежит какому орбитальному подуровню.

Я напоминаю студентам, что во время перевернутого видео, которое они смотрели в качестве домашнего задания прошлой ночью, Хэнк показал, какие области в Периодической таблице соответствуют каждому орбитальному подуровню. Если учащиеся не могут вспомнить, где находятся эти области, или они хотят дважды проверить перед раскрашиванием, я разрешаю им использовать любые ресурсы, доступные в классе: набор учебников, доступ в Интернет, доступ к YouTube через отдельные сотовые телефоны к перевернутому видео, партнеры лаборатории и т. д.Студентам предлагается использовать меня в качестве последней проверки перед использованием другого источника.

Я также говорю студентам, что у них есть только 10 минут на выполнение задания, и записываю на доске свое время в качестве напоминания.

Пока студенты работают, я хожу и наблюдаю. Я спрашиваю студентов, как они думают, что они знают, где находятся подуровни, что они думают о перевернутом видео, почему они выбрали цвета, которые они сделали, и как они думают, что эта информация может быть полезна при выполнении следующих заданий.Если ученик явно неправильно раскрашивает раздаточный материал, я могу задавать вопросы, чтобы понять, в чем заключается недоразумение. У студента просто переключены подуровни (например, окраска f-орбитальной области в цвет, обозначенный для d-орбиталей, и наоборот), что указывает на проблему с памятью, или же студент объединяет несколько орбиталей в одну, что указывает на понимание проблема? Если ученики действительно сбились с пути, я мог бы дать какие-то индивидуальные инструкции и исправить ошибки, но если у учеников есть незначительные ошибки (переключаемые орбитали), я спрошу, уверены ли они в своих ответах, и затем позволю им понять если это неверно (и почему), посоветовавшись с другими студентами.

По истечении 10 минут или когда весь класс закончен (в зависимости от того, что наступит раньше), я прошу студентов поделиться тем, что они раскрасили. Я делаю это с помощью документ-камеры и ЖК-проектора, чтобы мы могли проецировать работу учащегося на доске, и каждый мог просматривать раздаточный материал учащегося. Если нет добровольцев, я случайным образом выберу 3 и проецирую каждого из них (без указания имени). Мы исследуем его как класс, и если есть ошибки, мы обсуждаем их, и если это правильно, мы обсуждаем, как мы узнаем, что это правильно.Я ожидаю, что мои ученики сделают большую часть логического обоснования в ходе обсуждения, не требуя от меня слишком много внимания.

Новый метод придает цвет изображениям клеток под электронным микроскопом | Инновация

Привести цвет к изображениям, полученным с помощью электронного микроскопа, — непростая задача. Можно было бы правдоподобно сказать, что цвета не существует в этом масштабе, потому что предметы, отображаемые электронным микроскопом, меньше длины волны видимого света. Но это не остановило ученых от попыток или, по крайней мере, разработки методов, приближающих его.

Последний, описанный в статье Cell ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего, придает искусственный цвет биологическим структурам, что может помочь нам лучше понять структуры и функции внутри клеток. Они первыми применили этот метод к органическому материалу, сопоставив до трех цветов и сделав, в одном примере, область Гольджи зеленой, а плазматическую мембрану красной.

«Это добавляет много дополнительной информации к традиционной электронной микроскопии», — говорит Стивен Адамс, ведущий автор статьи. «Мы надеемся, что это будет общий метод, который люди будут использовать для этого картирования с очень высоким разрешением любой молекулы, на самом деле, какой они захотят».

Поскольку подобные технологии повышают разрешение изображений, они могут позволить ученым заглядывать внутрь самих клеток и более детально идентифицировать тела внутри них. Под традиционным световым микроскопом невозможно отобразить что-то меньшее, чем длина волны света, которую использует микроскоп, которая составляет около 250 нанометров, объясняет Брайан Митчелл, доцент кафедры клеточной и молекулярной биологии Северо-Западного университета.«Это довольно большая область, поэтому, если вы пытаетесь сказать, что этот действительно важный белок, который вы обнаружили, находится внутри мембраны или снаружи мембраны, действительно трудно сказать, что если вы не можете получить разрешение ниже 250 нм », — говорит он.

Между тем, у черно-белых изображений, созданных с помощью электронного микроскопа, есть аналогичная проблема: хотя разрешение, которое обеспечивает осциллограф, велико, бывает трудно различить различные клеточные структуры по серой шкале.

Техника, которую использовали Адамс и компания, представляет собой своего рода комбинацию световой микроскопии, которая отражает свет от объектов, и электронной микроскопии, которая отражает электроны от объектов. Во-первых, они используют изображение, созданное с помощью светового микроскопа, для определения структур, которые они хотят выделить. Они вводят небольшое количество редкоземельного металла и покрывают им структуру. Затем они подвергают его электронному микроскопу.

Когда микроскоп запускает электроны в ткани, некоторые проходят сквозь них, а другие, ударяя по более толстым или более тяжелым материалам, отскакивают назад, что-то вроде рентгеновского излучения.Некоторые ударяются о редкоземельный металл и вытесняют там электрон, заставляя его вылетать; вместе с этим приходит немного энергии, отличной от конкретного используемого металла, и это то, что измеряет их микроскоп. Этот метод называется спектроскопией потерь энергии электронов.

Адамс получил изображения клеточных структур, таких как комплекс Гольджи, белков плазматической мембраны и даже белков синапсов в головном мозге. «Для многих биологических экспериментов полезно иметь такое очень сильное увеличение, чтобы действительно видеть, где находятся эти белки или где эта конкретная молекула находится в клетке и что она делает», — говорит он.«Это часто дает вам представление о функции».

«Это не просто академический подход», — отмечает Митчелл. Знание того, что происходит внутри клетки, может быть полезно при диагностике и лечении заболеваний.

«Если у вас есть белок, который, скажем, локализуется в какой-то клеточной субструктуре… и, возможно, в этой болезненной ситуации белок не попадает туда, где он должен быть», — говорит Митчелл. «Глядя на локализацию белка, вы говорите:« Эй, этот белок не идет туда, куда должен, вероятно, это то, что лежит в основе механизма, почему клетка не функционирует должным образом, и может лежать в основе того, почему это заболевание ». делает то, что делает.’”

Изделие Cell — не единственная попытка получить цветные изображения с электронных микроскопов. Еще одна — корреляционная световая электронная микроскопия, которая маркирует клеточные структуры на изображении светового микроскопа флуоресцентными молекулами, чтобы определить их местонахождение, а затем использует электронный микроскоп для их отображения и накладывает два изображения. Другой способ — мечение иммунным золотом, которое связывает частицы золота с антителами, а затем они появляются на изображении под электронным микроскопом из-за плотности золота.Но у каждого есть своя проблема: первое требует двух разных изображений с разных микроскопов, что снижает точность; а последний может давать нечеткое окрашивание.

Газета была последней, на которой было написано имя Роджера Цзяня, химика, лауреата Нобелевской премии, умершего в августе. Цзянь был известен тем, что использовал флуоресцентный белок медузы для освещения клеточных структур.

«[Эта статья] стала кульминацией почти 15-летней работы, поэтому я думаю, что это еще одно наследие, которое он оставил», — говорит Адамс.«Это надежда, что это приведет к новым идеям и новым способам улучшения электронного микроскопа и его полезности».

Фактов об электронном облаке для детей

Формы первых пяти атомных орбиталей: 1s, 2s, 2p x , 2p y и 2p z . Два цвета показывают фазу или знак волновой функции в каждой области. Это графики функций ψ ( x , y , z ), которые зависят от координат одного электрона.Чтобы увидеть удлиненную форму ψ ( x , y , z ) 2 функций, которые более точно показывают плотность вероятности, см. Графики d-орбиталей ниже.

Электронное облако — неофициальный термин в физике. Он используется, чтобы описать, где находятся электроны, когда они вращаются вокруг ядра атома.

Модель электронного облака отличается от более старой атомной модели Бора Нильса Бора. Бор говорил об электронах, вращающихся вокруг ядра. Объяснение поведения этих электронных «орбит» было ключевым вопросом в развитии квантовой механики.

Модель электронного облака гласит, что мы не можем точно знать, где находится электрон в любой момент времени, но электроны с большей вероятностью будут находиться в определенных областях. Теоретически возможно, чтобы электрон находился на почти бесконечном расстоянии от атомного ядра, на котором он вращается, хотя вероятность появления электрона резко уменьшается по мере удаления от ядра, которое вы ищете. Это наиболее современный и общепринятый способ описания ситуации.

В модели Бора электроны отнесены к разным оболочкам.Эти оболочки объяснили повторяющиеся закономерности химических свойств в периодической таблице. Используя квантовую механику, химики могут использовать модель электронного облака, чтобы отнести электроны к разным атомным орбиталям. Эти атомные орбитали — это не все сферы. Атомные орбитали также объясняют закономерности в периодической таблице.

Модель электронного облака была разработана в 1925 году Эрвином Шредингером и Вернером Гейзенбергом. Модель — это способ помочь визуализировать наиболее вероятное положение электронов в атоме.Модель электронного облака — это общепринятая в настоящее время модель атома.

Картинки для детей

  • Фальшивые изображения плотности некоторых водородоподобных атомных орбиталей ( f орбиталей и выше не показаны)

  • Экспериментальные изображения 1 s и 2 p остовных электронных орбиталей Sr, включая эффекты атомных тепловых колебаний и уширения возбуждения, полученные с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) в сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM).

электрон — Викисловарь

Английский [править]

Альтернативные формы [править]

Этимология [править]

Смесь electric + ion , придуманная ирландским ученым Джорджем Стони в 1891 году, несколько раз измененная им с более раннего electrolion и исходного electrine (использовавшегося еще в 1874 году) в качестве названия для электрический заряд, связанный с одновалентным ионом. Сравните electro- , -on .Частица («корпускула») была открыта в 1896 году. Название электрон было предложено для частицы в 1906 году, но было сокращено, поскольку Хендрик Лоренц предпочел электрон .

Произношение [править]

Существительное [править]

электронов ( множественных электронов )

  1. (физика) Субатомная частица, имеющая отрицательный заряд и вращающаяся вокруг ядра; поток электронов в проводнике составляет электричество.
  2. (химия, устаревшая) Сплавы магния и других металлов, таких как алюминий или цинк, которые были произведены немецкой компанией Chemische Fabrik Griesheim-Elektron.
Синонимы [править]
Координаты [править]
Производные термины [править]
Связанные термины [править]
Переводы [править]

отрицательно заряженные субатомные частицы, вращающиеся вокруг атомов

Anagrams [править]


Интерлингва [править]

Существительное [править]

электрон ( множественное число электронов )

  1. электрон

окситанский [править]

Произношение [править]

Существительное [править]

электронов m ( во множественном числе электронов )

  1. электрон

румынский [править]

Существительное [править]

электрон м ( множественное число электрон )

  1. электрон

Вьетнамский [править]

Этимология [править]

из Франции électron

Произношение [править]

  • ( Hà Nội ) IPA (ключ) : [ʔɛ˧˧ lɛk̚˧˦ t͡ɕəwŋ͡m˧˧], [ʔe˧˧ lɛk̚˧˦ t͡ɕəwŋ͡m˧˧]
  • ( Huế ) IPA (ключ) : [ʔɛ˧˧ lɛk̚˦˧˥ ʈəwŋ͡m˧˧], [ʔej˧˧ lɛk̚˦˧˥ ʈəwŋ͡m˧˧]
  • ( Hồ Chí Minh City ) IPA (ключ) : [ʔɛ˧˧ lɛk̚˦˥ ʈəwŋ͡m˧˧], [ʔej˧˧ lɛk̚˦˥ ʈəwŋ͡m˧˧]
  • Фонетический : e léc trông, ê léc trông

Существительное [править]

electronic

  1. электрон
    Синоним: điện tử
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.