Концепции современного естествознания

Можно ли представить себе электрон? (в атоме) Орбитали дают нам представление только о том, в каких точках пространства вероятнее всего нахождение электрона в данный момент времени. Сказать же точно, где он находится в данный момент времени в атоме, мы не можем потому, что это невозможно вообще. И представить себе электрон мы не можем, потому что в нашем мире нет наглядных объектов, с которыми можно было бы его сопоставить.

При рассмотрении состояния электрона в атоме физики вводят представление об электронном облаке. Форма и эффективные размеры его определяются квантовыми числами n и l и меняются при переходе электрона из одного состояния в другое - отождествлять электронное облако с электроном нельзя.

Чтобы описать размеры и форму электронного облака, используется функция “пси” (волновая функция), которая дает возможность определить вероятность обнаружения электрона с данными квантовыми числами в некотором элементе объема.

Движущийся по орбите электрон можно рассматривать, с одной стороны, как некую корпускулу (с определенными массой, энергией, зарядом), а с другой - как некую волну, длина которой укладывается на длине орбиты целое число раз (это число есть главное квантовое число).

Состояние электрона в атоме определяется набором квантовых чисел:

n - главное квантовое число, 1,2,3... - число уровней энергии. При

n = 1 значение энергии соответствует основному состоянию атома. В основном состоянии атом обладает наименьшим значением энергии. Все состояния атома при n>1 называют возбужденными.

Существенной особенностью всех атомов и молекул является их способность удерживать электроны в ограниченной области пространства. Вследствие волновой природы частиц свободный электрон, движение которого ограничено размерами этого пространства L, должен вести себя подобно звуковой волне, распространяющейся то в одну, то в другую сторону в помещении с абсолютно отражающими стенками. В соответствии с условием обращения в нуль волновой функции электрона на границах пространства допустимы лишь волны, у которых на отрезке длиной L укладывается целое число полуволн. Таким образом, допустимы лишь определенные волновые функции, или, иначе, определенные состояния электрона. Эти условия такие же, как для случая стоячих волн на струне.

Итак, электрон - частица с определенным зарядом и массой, проявляющая специфические волновые свойства и приобретающая поэтому дискретные значения энергии в атоме или молекуле.

Второе квантовое число l называют орбитальным или побочным, оно подчеркивает “неравноценность” всех электронов в данной оболочке.

Орбитальный момент импульса квантуется, принимая только значения, кратные h:

L = lh, l = 0, 1, 2 ... n - 1 Орбитальное квантовое число - l может иметь только положительные значения от 0 до n-1.

Форма электронного облака зависит от значения квантового числа l. Если оно равно нулю, то электронное облако имеет сферическую форму. Если - 1, то форму вращения, полученную из “восьмерки”. При больших значениях - более сложную форму.

Так как момент импульса - вектор, он имеет не только численное значение, но и направление. Обычно не существует такой физической величины, которая имела бы выделенное направление в пространстве, и поэтому направление L не имеет значения. Однако в магнитном поле некоторое направление в пространстве оказывается выделенным. Связь магнитного поля с направлением момента импульса обусловлена тем, что орбитальный электрон подобен крошечному магниту, и поэтому взаимодействует с магнитным полем.

Так как движущийся заряд отрицателен, магнитный момент, обусловленный орбитальным движением электрона, направлен противоположно моменту импульса и, подобно ему, квантуется: величина проекции момента импульса на направление поля определяется квантовым числом m.

Вообще проекция орбитального момента на направление поля равна

Lz = mh,

где m - магнитное квантовое число, которое может иметь значения -l, -l+1, -l+2, ... -1, 0, 1, ... l-2, l-1, l, т.е. всего 2l+1 значений.

Кроме того, электрон, как находящийся внутри атома, так и свободный, имеет некий внутренний, так называемый собственный момент импульса, называемый спином, S.

S = sh, где s - спиновое квантовое число, которое может иметь только одно значение: s = 1/2. Поэтому существуют только две разрешенные проекции S на выбранное направление +1/2 и -1/2, так как проекции L и S могут отличаться только на величины, кратные h.

И в классической, и в квантовой физике заряженное тело, обладающее моментом количества движения, является магнитом.

Орбитальный магнит направлен по оси орбиты. Что касается спинового магнетизма электрона, то для его наглядного изображения следует представить электрон в виде твердого тела, вращающегося вокруг собственной оси (по-английски to spin - крутить волчок).

Но у электрона нет орбиты, и волчком он не является. Тем не менее он имеет и орбитальный и спиновый магнетизм.

Таким образом, электрон в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами n, l, m, s, выражающими четыре физических величины: энергию, орбитальный момент количества движения, его проекцию на выделенное направление в пространстве (направление магнитного поля) и такую же проекцию спинового момента. Без этих квантовых чисел нельзя понять основных свойств атома, а также физического смысла периодического закона Менделеева.

Очевидно, что периодичностью должны обладать свойства электронов в атомах. Если атомы состоят из ядер и электронов, и электроны могут существовать в различных состояниях, то именно эти электронные состояния ответственны за физическое и химическое поведение атомов.

Для понимания распределения электронов по доступным им состояниям необходимо иметь в виду два принципа.

Первый: при прочих равных условиях электрон должен находиться в том состоянии, в каком его энергия минимальна. Если электрону сообщена большая энергия и он имеет возможность перейти на более низкий энергетический уровень, то он это сделает. При этом избыток энергии выделится ввиде света или иным путем.

Второй принцип - запрет Паули. Разберем последовательно строение атомов ряда элементов, помня, что атомный номер элемента выражает число электронов в атоме.

Водород. Наименьшее возможное значение энергии единственного электрона в атоме H соответствует наименьшему значению главного квантового числа n, т.е. 1. Следовательно, l = 0 (наибольшее значение l есть l-1), m = 0 и s имеет произвольное значение +1/2 или -1/2.Главное квантовое число записывается цифрой, а число l - буквой: l=0 - s, l=1 - p, l=2 - d, l=3 - f и т.д. (g, h, i, ...) Значит, в атоме водорода электрон имеет состояние 1 s. В атоме гелия He - два электрона. Они оба могут быть в состоянии 1 s, но согласно принципу Паули их спиновые числа должны иметь разные знаки: +1/2 и -1/2. Обозначив спиновые числа стрелками, можно представить состояния атомов водорода и гелия следующим образом:

1s

H ?

He ??

У лития три электрона. Третий электрон уже не может попасть в клеточку 1s (принцип Паули не допускает этого). Следовательно, у третьего электрона должно возрасти главное квантовое число: n = 2. Он попадает в состояние 2s.

1s 2s

Li ?? ?

Be ?? ???

В каждой клеточке может быть не более двух электронов. Пятый атом бора должен попасть в следующую клетку. Но при n=2 число l может иметь уже два значения: l=0 и l=1. При l=0 число m равно 0 и только 0, а при

l=1 m имеет три значения -1, 0 и 1. Соответственно состоянию с n=2,

l=1, т.е. 2p, принадлежит уже три клеточки, в каждой из которых может поместиться по два электрона с антипараллельными спинами.

Теория и спектроскопия показывают, что заполнение p-клеток происходит по правилу: электроны располагаются прежде всего по клеткам, отвечающим различным значениям квантового числа m так, чтобы все спиновые стрелки смотрели в одну сторону. Это значит, что суммарный спин атома должен быть максимальным.

У атома He электронами использованы все возможности, отвечающие главному квантовому числу n=1, и таких возможностей только 2. У атома Ne заполнены все клеточки, отвечающие n=2; таких клеток 4 и в каждой по 2 электрона, всего 8 электронов.

У следующего за неоном элемента Na начинается новая оболочка: одиннадцатый электрон попадает в состояние 3s и т.д.

Сказанного достаточно, чтобы понять, чем определяется периодичность свойств элементов, открытая Менделеевым. За физические и химические свойства атома ответственны прежде всего его внешние электроны - те электроны, у которых главные квантовые числа имеют наибольшее значение. Обладая наибольшей энергией, эти электроны легче других могут быть отделены от атома, они дальше отстоят от ядра и легче поддаются различным воздействиям. Внутренние электроны, входящие в состав заполненных оболочек, защищены от этих воздействий внешними электронами.

Почти все свойства атомов - химические, электрические, магнитные, оптические и т.д. - зависят от конфигураций внешних электронов. Только в случае очень сильного воздействия на атом в игру вступают сильно связанные внутренние электроны.

Если сообщить атому достаточную энергию за счет столкновения с быстрым электроном (как это происходит в рентгеновской трубке) или облучая его фотонами большой энергии, то удается выбить один из внутренних K-электронов. Электрон с более удаленной от ядра L-оболочки перейдет на K-оболочку и займет освободившееся место, испуская при этом жесткий фотон. В конце концов, после всех переходов с одной оболочки на другую и испускания серии рентгеновских квантов, из окружающей среды внешней оболочкой будет захвачен свободный электрон и атом вернется в электрически нейтральное состояние.

Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов.

Атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Распределение электронов по оболочкам подчиняется определенным правилам, установленным квантовой механикой. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, определяют их реакционную способность, т.е. их способность вступать в соединение с другими атомами.

Связь атомов возможна, если совместная внешняя оболочка целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет около 106.

Некоторые атомы (углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования макромолекул, которые проявляют уже биологические свойства.

В природе лишь немногие атомы существуют поодиночке, поскольку у большинства элементов атомы химически нестабильны. Для того, чтобы атом был стабильным, его внешняя электронная оболочка должна быть заполнена определенным числом электронов (у водорода и гелия - 2, у остальных - 8).

Атомы с незаполненными внешними электронными оболочками способны вступать в химические реакции, образуя связи с другими атомами. Реакции сопровождаются перегруппировкой электронов, в результате которой внешняя электронная оболочка у каждого из атомов оказывается заполненной.

Соединением называют вещество, в котором атомы двух или более элементов объединены в определенном соотношении. Соединение характеризуется определенным составом и определенным набором свойств, отличающихся от свойств элементов, из которых оно состоит. Например, свойства воды отличаются от свойств водорода и кислорода, из которых она состоит.

Молекула - это мельчайшая частица соединения, сохраняющая все его свойства (соединения с ионными связями, как например, NaCl, состоят не из молекул, а из ионов). Атомы могут соединяться в молекулы, если энергия связанных атомов окажется меньшей, чем суммарная энергия изолированных атомов.

Кристалл образуется путем регулярного повторения расположения атомных групп в пространстве. Существует 14 различных основных типов кристаллов. Кристаллы могут быть ионными (кристаллы поваренной соли) и ковалентными (графит, алмаз). Металлы образуют еще один тип кристаллических структур, в которых внешние электроны не связаны с каким-либо определенным атомом; эти электроны могут свободно перемещаться внутри металла (электроны проводимости). Металлы со свободными электронами в межатомном пространстве являются хорошими проводниками. В ионных и ковалентных кристаллах каждый электрон связан с определенным атомом или парой атомов; свободные электроны отсутствуют. Поэтому кристаллы типа NaCl или алмаза плохо проводят электричество.

Выход книги Дарвина “Происхождение видов” (1859) совпал с открытием Дж. Максвеллом статистического закона о распределении молекул по скоростям, который допускает случайные события. С теорией естественного отбора Дарвина и законом Максвелла в науку вошло представление о динамических и статистических закономерностях. Первые точно определяют поведение отдельных тел, вторые - вероятность поведения тел, входящих в большие ансамбли.

В физике, химии и биологии встречаются статистические закономерности, отличие которых от законов механики состоит в том, что статистические закономерности управляют системами, состоящими из огромного числа объектов, подверженных случайным событиям. Случайными называют события, которые зависят от множества причин, связи между которыми не представляется возможным установить. Но при многократном повторении случайных событий проявляются определенные закономерности.

Открытие законов механики послужило основой для формирования механистической картины мира, согласно которой миром правят строгие однозначные законы, не допускающие никаких случайностей. Течение всех процессов определялось начальными условиями, мир представлялся состоящим из вечных, неделимых частиц, движение которых всегда можно описать с помощью законов механики.

Согласно представлениям того времени чья-то смерть или рождение, хорошая погода сегодня или война в будущем были предопределены существовавшим до этого расположением и скоростью частиц, составляющих Вселенную. “Природа проста и не роскошествует излишними причинами”, - утверждал один из создателей механистической картины мира - Исаак Ньютон. С открытием статистических закономерностей, которые вошли в науку с работами Дарвина, Максвелла, Больцмана, начали формироваться новые представления о мире, которые более адекватно отражали существующие в нем взаимосвязи.

Статистическая физика приняла завершенный вид после работ американского физика Дж.У.Гиббса, который дал общий метод вычисления усредненных макроскопических величин для произвольной системы.

Для описания движения планет, космического корабля, работы простых механизмов используют уравнения механики, которые позволяют определить положения и скорости всех частей системы. Но уравнения механики становятся бессильными, когда число частиц в системе очень велико, например, когда надо описать поведение газа или электрического тока.

Статистическая физика изучает свойства сложных систем - газов, жидкостей, твердых тел и их связь со свойствами отдельных частиц - атомов и молекул, из которых эти системы состоят. Для таких систем не нужно слишком детального описания. Нельзя измерить энергию и импульс всех молекул газа. В газе мы измеряем давление, которое есть результат ударов большого числа молекул; сопротивление кристалла есть следствие большого числа столкновений электронов с атомами. Во всех физических системах, состоящих из большого числа частиц, изучаются величины, усредненные по многим частицам.

Ансамбль (статистический) - совокупность одинаковых физических систем многих частиц, находящихся в одинаковых макроскопических состояниях, в то время как микросостояния могут быть различными.

Релаксация - процесс установления термодинамического равновесия в макроскопической физической системе. Под временем релаксации разумеют время установления равновесия в системе. Время релаксации существенно зависит от размеров системы, а именно оно растет с увеличением размеров макротел. Это означает, что малые части макросистемы приходят в равновесие значительно быстрее, чем все тело в целом.

В связи с этим можно ввести понятие о локальном равновесии, т.е. равновесии в точке, под которой понимается элемент объема тела, достаточно малый по сравнению с размерами самого тела, но содержащий достаточно большое количество молекул или атомов.

При локальном равновесии “точка среды” характеризуется свои местным значением температуры, а сама неравновесная среда описывается “полем температур”. С течением времени неполное равновесие всей замкнутой системы превращается в полное, температура для всех ее частей постепенно выравнивается. В равновесных системах давление и температура постоянны по всему объему тела. Если же в теле имеется какое-то распределение давлений и температур, значит система неравновесная. Из-за наличия перепадов (градиентов) давления в таком теле возникают внутренние макроскопические движения, характеризующиеся некоторым распределением скоростей.

С.Карно, “Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу”, 1824 г. Основная идея: тепловая машина производит работу благодаря передаче тепла от источника - нагревателя, находящегося при температуре T1, к холодильнику, находящемуся при температуре T2<<T1, т.е. от более нагретого тела к менее нагретому. С.Карно впервые разработал метод циклов. Цикл - это последовательность процессов, которые возвращают в конечном счете всю систему участвующих в них тел в первоначальное состояние. На основе цикла Карно сформулирован второй закон термодинамики.

Согласно второму закону термодинамики, во всякой изолированной (т.е. не испытывающей никаких воздействий со стороны других тел) системе самопроизвольно протекают только такие процессы, которые приводят ее в состояние, не изменяющееся в дальнейшем с течением времени. Такое состояние системы называется тепловым равновесием. Оно может достигаться в системе и тогда, когда она не является изолированной, но находится в неизменных внешних условиях.

Хорошо известный пример: тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, пока температуры обеих тел не станут одинаковыми и не установится тепловое равновесие. Однако понятие теплового равновесия значительно сложнее.

С точки зрения кинетической теории состояние теплового равновесия возникает как результат равенства скоростей прямого и обратного процессов (например, равенства скоростей испарения и конденсации в замкнутом сосуде с жидкостью).

Следует подчеркнуть, что равенство это выполняется лишь в среднем (для не слишком малых промежутков времени и не слишком малых объемов): при переходе к малым временам и малым объемам наблюдаются отклонения от теплового равновесия, или флуктуации, обусловленные неточным совпадением скоростей противоположно направленных элементарных процессов в каждый данный момент.

Состояние теплового равновесия устойчиво. Понятие теплового равновесия применимо не только к выравниванию температуры вследствие переноса тепла, к фазовым превращениям, к химическим реакциям, но и к любым явлениям природы - физическим, химическим, биологическим, космическим: любая система при неизменных внешних условиях с течением времени всегда приходит в состояние теплового равновесия и никогда самопроизвольно из него не выходит.

Термодинамики устанавливает критерии теплового равновесия. Американский физик Дж.У.Гиббс, один из создателей классической и статистической термодинамики, придумал для расчета равновесий метод термодинамических потенциалов, или характеристических функций.

Согласно Гиббсу, существуют такие функции, которые в состоянии теплового равновесия достигают минимума. Например, если процесс происходит при заданных температуре и давлении, то в состоянии теплового равновесия минимума достигает свободная энергия Гиббса; в теплоизолированной системе, находящейся при постоянном объеме, - внутренняя энергия.

Немецкий физик Р.Клаузиус ввел функцию S, которую он назвал энтропией и сформулировал второй закон термодинамики (1865): “При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает”.

Вот несколько равноценных формулировок второго начала термодинамики:

1) невозможно построить вечный двигатель второго рода, то есть машину, которая работает за счет тепла окружающей среды;

2) работу можно получить лишь выравнивая перепады каких-либо параметров системы (температуры, давления, электрического потенциала);

3) в замкнутой (то есть не получающей энергии извне) системе прирост энтропии всегда положителен;

4) все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутых системах идут в сторону наиболее вероятного состояния системы.

Австрийский физик Л.Больцман открыл физический смысл энтропии и причины ее роста в изолированных системах: энтропия - мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму энтропии; любой беспорядок увеличивает ее. Максимальная энтропия соответствует полному хаосу. Энтропия жидкости больше, чем твердого тела; а энтропия газа больше чем энтропия жидкости.

Больцман впервые ввел понятие термодинамической “вероятности состояния системы”. Всякая система, состоящая из очень большого числа частиц, будет переходить от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным, осуществляющимся большим числом способов. Связь между энтропией S и числом способов реализации данного состояния (термодинамической вероятностью) P дает формула Больцмана: S=klnP+const, где - постоянная Больцмана. Или S=klnW. Читается эта формула так: энтропия замкнутой системы прямо пропорциональна натуральному логарифму термодинамической вероятности состояния системы.

Когда энтропия системы достигает максимума, то никакие процессы в ней невозможны. Но при этом необходимо различать микропроцессы и макропроцессы. В природе необратимы все макроскопические процессы, они протекают в направлении возрастания энтропии. Необратимым является такой процесс, который в обратном направлении может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.

Одному и тому же макросостоянию может соответствовать множество микросостояний, которые с течением времени непрерывно сменяют друг друга, хотя на макроуровне может не наблюдаться никаких изменений. Действие закона возрастания энтропии при протекании процессов в замкнутых системах проявляется только на макроуровне.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19