Атомы, молекулы и вещество в квантовой теории
Различные вещества по-разному могут ослаблять интенсивность ионизирующих излучений. Процесс взаимодействия вещества и излучений носит сложный характер. Физическую картину ослабления интенсивности излучении объясняет квантовая теория.
Вещество в квантовой теории взаимодействия
Изучение процессов взаимодействия вещества и излучения представляет в физике один из самых важных вопросов получения информации об окружающем мире. Наиболее простым способом регистрации электромагнитного излучения является зрение, позволяющее делать определенные заключения о предметах, их размере, цвете, форме и т.д.
Такие явления, как отражение, дифракция, преломление, поляризация электромагнитного излучения, и рассеяние, наблюдаемые в процессе взаимодействия с веществом, обусловлены в природе волновым характером излучения.
Другие явления, такие, как например, фотоэлектрический эффект, требуют определенного состава у излучения (из частиц - фотонов). Признание учеными этого факта стало одним из первых свидетельств в пользу теории квантов, развившейся в современную квантовую механику.
Оптические и спектральные исследования представляют собой важнейшие способы изучения энергетического строения веществ в состояниях:
- газообразном;
- жидком;
- твердом.
Вследствие проведения спектральных исследований кристаллов, играющих значимую роль в технике, науке и промышленности, становится возможным определение строения составляющих их частиц, а также связей между частицами в кристаллах разного типа.
Именно такие факторы будут определяющими для свойств кристаллов и возможности применения их в разных целях. Поэтому очень важно получить максимально полную картину спектральных особенностей кристаллов ряда важнейших химических соединений.
Передача энергии (соответственно представлениям квантовой теории) при взаимодействии вещества и излучения осуществляется не непрерывно во времени, а прерывисто, то есть отдельными целыми порциями. Такие порции-кванты лучистой энергии называются также световыми фотонами и квантами.
Энергия световых квантов очень незначительная. Так, простая электрическая лампочка, например, способна излучать около 10 квантов в секунду. По этой причине человеческий глаз не в состоянии ощущать мерцание отдельных квантов, а воспринимает свет как явление непрерывное.
Волновые свойства света, таким образом, представляют статистическое явление, возникающее вследствие суммарного воздействия огромного количества ничтожно малых световых квантов.
Молекула в квантовой теории
Молекула возникает вследствие химической связи между атомами. Такие связи становятся результатом взаимодействия валентных (внешних) электронов атомов. В молекулах наиболее часто встречаются два типа связи:
- ионная (гетерополярная);
- гомеополярная (ковалентная).
Часто гетерополярная связь достаточно прочная и обеспечивает устойчивые молекулы. На границах разлома у кристаллов с гетерополярной связью могут возникать два ионных монослоя с противоположным знаком. Между этими слоями генерируются колоссальные электрические поля высокой напряженности. Такие поля способствуют возникновению фотонов и электронов с очень высокими энергиями.
Ковалентную связь можно объяснить принципом неразличимости тождественных частиц, приводящим к обменному взаимодействию. Суть такого взаимодействия заключается в том, что спаренные электроны некоторое время находятся у обоих ядер, их волновые функции при этом перекрываются и наблюдается связь атомов в молекуле.
При параллельности спинов электронов, перекрывание волновых функций (по принципу Паули) становится невозможным, атомы будут отталкиваться и молекула не образуется. При антипараллельности спинов электронов, перекрывание волновых функций будет энергетически выгодным, что провоцирует образование устойчивой молекулы.
Энергетические уровни молекул – более сложные, в сравнении с атомами. Помимо движения электронов относительно ядра атома, в молекулах присутствуют колебания атомов относительно положения равновесия и вращения молекулы как целого. Каждому из таких видов движения будут соответствовать свои уровни энергии. В первом приближении такие виды молекулярных движений могут считаться независимыми друг от друга. Полную энергию молекулы поэтому можно представить как сумму электронной энергии, колебательной и вращательной:
Рисунок 1. Полная энергия молекулы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Каждая из данных энергий подвергается квантованию, принимая дискретные значения. Уровни электронного молекулярного возбуждения аналогичны уровням электронного возбуждения атомов. В то же время, уровни колебательного возбуждения, приближенные к равновесному состоянию, можно описать с помощью модели квантового осциллятора:
Рисунок 2. Модель квантового осциллятора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Атом в квантовой теории
Квантовая теория строения атомов представляет раздел в квантовой механике, который объясняет разнообразие свойств мельчайших частиц веществ. Основоположниками данной теории являются: Э. Шредингер, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, продемонстрировавшие в своих экспериментальных исследованиях наличие у микрочастиц ряда новых особенностей, которые определяли характер современного атомизма.
Эти свойства заключаются в следующем:
- корпускулярно-волновой дуализм природы элементарных частиц;
- волновые характеристики представляют собой разные проявления единого материального образования;
- согласно исследованиям Л. де Бройля, квантово-механическая природа свойственна всем видам материи.
- классическая механика исключает вероятность дифракции нейтрона, электрона, протона.
В рамках объяснения классической физики траектория давала возможность описания пути в виде линии. Частицы в современном атомизме не имеют траекторию: можно только указать область пространства, в котором существует определенная степень вероятности обнаружить частицу.
