Основы квантовой теории строения атома

Предложенная Н. Бором планетарная модель атома, согласно которой электроны в атоме движутся вокруг его ядра по строго заданным круговым орбитам, была в процессе изучения свойств элементарных частиц и строения материи развита и дополнена.

Квантовая механика рассматривает атом как совокупность электронных оболочек вокруг ядра атома. Согласно квантовомеханической теории рассматривается не траектория движения электрона вокруг ядра, а некоторая область, вероятность нахождения электрона в которой имеет наибольшую величину. Каждой оболочке соответствует строго определенное значение энергии электрона, характеризуемое главным квантовым числом

n = 1, 2, 3, ...         (1)

В зависимости от числа n в атоме различают электронную оболочку K при n = 1, оболочку L при n = 2, оболочку M при n = 3. Энергии электронов, находящихся в соседних электронных оболочках отличаются на энергию кванта:

,        (2)

где h — постоянная Планка; и — энергии электронов в оболочках при n = 1 и n = 2. Это означает, что для перемещения электрона из одной оболочки в другую, более удаленную от ядра атома, необходимо затратить энергию, равную энергии кванта. И, наоборот, при переходе электрона на более низкий энергетический уровень происходит выделение энергии в виде электромагнитного кванта с частотой

Рисунок 1. Энергетическое состояние электрона в атоме

Момент количества движения электрона в орбитали характеризует его энергетическое состояние в атоме:

p = m[vr],        (3)

Его можно выразить через квантовое число l:

,        (4)

Следует заметить, что энергетическое состояние электрона в атоме является условным изображением, не связанным с реальной формой орбитали электрона. Формы орбиталей электрона s, p и d показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Формы электронных облаков электрона

Тем не менее, с некоторой долей упрощения можно утверждать, что в атоме присутствуют энергетические уровни, на которых может находиться несколько электронов. Самый нижний уровень, соответствующий водороду и гелию, называется K оболочкой. На этом уровне может находиться до 2 электронов с разными спинами. Следующий уровень, соответствующий элементам от лития до неона, получил название L. Он расщепляется на два подуровня s и p. На подуровне s, как и в предыдущем случае, может находиться два электрона, а на подуровне p — уже шесть электронов. Энергетические уровни атома приведены на рисунке 3, а формы их орбиталей на рисунке 2.

Рисунок 3. Энергетические уровни атома

Наиболее используемый в настоящее время в электронных приборах полупроводник кремний (14 электронов) занимает еще два подуровня M атома. Там у него находится 4 электрона. При возбуждении кремния внешним квантом энергии его валентные электроны могут переходить на подуровень d.

Выводы:

• Атом представляется как совокупность электронных оболочек вокруг ядра.
• В атоме каждой оболочке соответствует строго определенное значение энергии электрона.
• В каждой оболочке может находиться строго определенное количество электронов.

Дата последнего обновления файла 08.01.2020

1. В. Н. Дулин Электронные и ионные приборы - М. - Л.: Государственное энергетическое издательство, 1963. -544 с.
2. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
3. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
4. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
5. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
6. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.