| Оболонка | квантове число N | макс. число електронів |
| K | 1 | 2 |
| L | 2 | 8 |
| M | 3 | 18 |
Перехід електрона з однієї оболонки на іншу можливий при поглинанні чи випусканні кванта електромагнітного випромінювання з енергією, що дорівнює різниці енергій рівнів, між якими пересувається електрон. Тому оптичні спектри поглинання атомів, що відповідають електронним переходам на дискретні вільні рівні, так само повинні бути дискретні.
Модель Бора не могла пояснити особливості спектрів елементів більш складних ніж водень. Крім того, електрон розглядалася як частка, що приводило до ряду протиріч. Більш пізні дослідження показали, що електрон має хвильову природу і йому варто приписати визначену довжину хвилі, що залежить від його енергії. Це положення, висунуте Луї де Бройлем, лягло в основу квантової механіки, методи якої в даний час використовуються для розрахунку властивостей атомів, молекул і твердих тіл, що з них складаються.
Орбіталі часто називають підоболонками оболонок, оскільки вони характеризують форми різних орбіт, на яких можна знайти електрони, що знаходяться в одній оболонці (при заданому квантовому числі N). Кожна підоболонка характеризується своїм, побічним квантовим числом L (його називають орбітальним) . Воно, так само як і Nа, ціле і може змінюватися в межах від 0 до (N-1). Орбітали однієї підоболонки в звичайних умовах мають однакові значення енергії (вирождені), однак під впливом зовнішнього магнітного поля орбітальні енергії стають дискретними чи квантованими.
Магнітне квантове число M цих дискретних енергетичних рівнів може приймати цілочисленне значення в межах від -L до L (включно), тобто воно може приймати 2L+1 значень. Четверте квантове число S (спін) характеризує обертання окремого електрона і може приймати значення: +1/2 і -1/2.
Кожен електрон в атомі повинний мати свій індивідуальний набір квантових чисел. Знаючи головне квантове число N, легко розрахувати, скільки електронів може знаходитися на тій чи іншій оболонці й оцінити форму можливих орбіталей.
При утворенні молекул і кристалів з атомів, на зовнішній (валентній) оболонці яких маються як S так і P електрони, можливе змішування (інтерференція) їхній орбіталей і утворення "гібридних" SP орбіталей. Форма гібридної орбіталі залежить від того, скільки P орбіталей бере участь у її утворенні. Приклади можливих гібридних орбіталей показані на нижньому малюнку.
Структура молекул і кристалів буде залежати від того, які орбітали беруть участь в утворенні хімічного зв'язку між атомами. В утворенні таких напівпровідникових кристалів як Si і Ge беруть участь SP3 -орбіталі (приналежні різним оболонкам).
При цьому, у результаті взаємодії атомів, дискретні рівні можуть бути розглянуті як енергетичні зони. У напівпровідниках із двох сусідніх зон, що утворилися з рівнів валентних електронів, одна виявляється заповненою, друга вільною.
Масове число (А)- це сумарне число протонів і нейтронів в ядрі атома. Атомний номер (Z)елемента співпадає з числом протонів в ядрі його атома.
A=Z+N, де N-число нейтронів в ядрі атома. Кожен хімічний елемент характеризується певним атомним номером. Тобто два елемента не можуть мати однаковий атомний номер.
Ізотопами - називають різні за властивостями атомні різновиди одного елемента. Вони розрізняються по кількості нейтронів в їх ядрі. Таким чином, ізотопи одного елемента мають однаковий атомний номер, але різні масові числа. Наприклад,
612С, 613 С, 614 С – ізотопи вуглецю.
Атомна одиниця маси ( а.о.м.).
За стандарт прийнята маса стабільного ізотопу вуглецю
612С = 12,0000а.о.м., таким чином 1 а.о.м. =1/12m612С.
Істине значення а.о.м.= 1,661*10-27кг.
Три фундаментальні частинки, мають маси:
mпротона=1,007277а.о.м.
mнейтрона=1,008665а.о.м.
mелектрона=0,0005486а.о.м.
Під дією тепла чи світла електрони можуть переходити з валентної зони в зону провідності. Відхід електрона приводить до утворення дірки, що повинна мати позитивний заряд, тому що електрон віддав негативний заряд і локальна електронейтральність порушилася. Сусідні валентні електрони можуть заповнювати дірку й у такий спосіб: вона може переміщатися по кристалі залишаючись у валентній зоні. Переміщення дірок буде створювати електричний струм.
Ідеальний напівпровідник, у якому відсутні домішки і дефекти називається
власним. У власному напівпровіднику концентрація електронів дорівнює концентрації дірок.
На енергетичному рівні в дозволеній зоні можуть знаходитися або електрон, або дірка. Тому для імовірності перебування дірки на заданому рівні можна записати fp(E)= 1 - f(E), де f(E) імовірність перебування на цьому рівні електрона. При цьому здобуваючи енергію дірка переміщається в глиб валентної зони.
Якщо E-F значно більше k, то замість статистики Фермі-Дірака для розрахунку імовірності заповнення енергетичних станів можна скористатися статистикою Больцмана.
Використовуючи ці співвідношення з умови електронейтральності можна розрахувати положення рівня Фермі. Тобто, для власного напівпровідника рівень Фермі лежить приблизно в середині забороненої зони і при підвищенні температури він поступово зміщається до тієї зони для який ефективна маса носіїв заряду менше.
Якщо електрон з валентної збуджується в зону провідності, то у валентній зоні залишається його вакансія (дірка), при переміщенні якої по кристалі переноситься позитивний заряд. У такий спосіб заряд у кристалі може переноситися електронами, що знаходяться в зоні провідності і дірками, що знаходяться у валентній зоні. В ідеальному кристалі, у якому відсутні дефекти і сторонні домішки (такий напівпровідник називається власним), кількість "вільних" електронів - електронів у зоні провідності (n), дорівнює кількості дірок (p) і дорівнює деякій характеристичній величині, що називається власною концентрацією (ni): n=p=ni.
Чим вужче заборонена зона, тим більше в напівпровіднику термічно збуджених вільних носіїв заряду. Концентрації вільних електронів і дірок у власному напівпровіднику залежать від температури по експонентному законі.
Положення рівня Ферми знаходять з умови електронейтральності для власного напівпровідника тобто: n=p. Відкіля: F=1/2(Ec+Ev)+k/2ln(mp/mn), тобто при низьких температурах рівень Ферми лежить біля середини забороненої зони і з підвищенням температури поступово зміщається до зони провідності.
Сучасна модель атома базується на планетарні моделі Бора, яка була запропонована після відкриття субатомних частинок та ряду інших досліджень таких як радіоактивність, створення квантової теорії світла. Формулювання основних положень квантової механіки дозволило пояснити корпускулярно-хвильовий дуалізм електрона та стійкість електронної конфігурації атомів. Згідно сучасних уявлень атом складається з ядра та електронів, що рухаються навколо нього по певних орбітах. Кількість електронів на зовнішньому електронному шарі та заряд ядра є унікальним і визначальним для кожного виду атомів.
Електронна конфігурація елемента - це запис розподілу електронів в його атомах по оболонках, підоболонках та орбіталях. Для визначення конкретної електронної конфігурації елемента в стаціонарному стані є три правила:
Принцип заповнення. Електрони в стаціонарному стані атома заповнюють орбіталі у відповідності підвищення орбітальних енергетичних рівнів. Нижчі за енергією орбіталі завжди заповнюються першими.
Принцип заборони Паулі. На будь-якій орбіталі може знаходитись не більше двох електронів і лише в тому випадку, якщо в них різнонаправлені спіни.
Правило Гунда. Заповнення орбіталей однієї підоболонки починається по одному електрону з паралельними спінами, і тільки після того, як неспарені електрони займуть всі орбіталі, може проходити заповнення орбіталей парами електронів з протилежними спінами.
Властивості атомів залежать від будови їх електронних оболонок.
Ядром називається центральна частина атома, у якій зосереджена практично вся маса атома і його позитивний електричний заряд. Всі атомні ядра складаються з елементарних часток: протонів і нейтронів, що вважаються двома зарядовими станами однієї частинки - нуклона. Протон має позитивний електричний заряд, що дорівнює по абсолютній величині заряду електрона. Нейтрон не має електричного заряду.
Дослідження скаду атомних ядер продовжується і в даний час. З 1938 р. було передбачено декілька сотень елементарних частинок та античастинок, більша частина з них вже відкрита. Античастинки мають таку саму масу, як і звичайні частинки, але протилежний заряд.
В 1964 р. Мюреєм були передбачені кварки і лептони. Вважається, що протон складається з 3[Т1] x -кварків, а нейтрон з інших 3[Т2] x кварків. Після відкриття в 1983 р. в Женеві в Європейському центрі ядерних досліджень W-і Z- частинок вченим здавалось, що все в світі субатомних частинок стало на свої місця. Але через рік з’ясувалось, все не так просто. Вчені всього світу вважають, що крапку ставити рано і з нетерпінням чекають результатів подальших досліджень.
1. Григор'єв В.И., Мякишев Г.Я. Сили в природе. - М.,“Наука”, 1983 р. -434с.
2. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. - М., “Образование”, 1982 р.
3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике - М., “Наука”, 1990 р..
4. М.Л. Глiнка. Загальна хiмiя. - К.:Вища школа, 1982.- 608с.
5. М.А. Тамаров. Неорганическая химия. - М.:Медицина, 1974.- 480 с.
6. В.В. Григор`єва та iн. Загальна хiмiя. - К.: Вища школа, 1991. - 431 с.
7. Н.В. Романова. Основи аналітичної хiмiї. -К.: Рад. школа, 1983. - 160 с.
8. А.I. Гончаров. Довiдник з хiмiї. - К.: Вища школа, 1974. - 304с.