- •Тема 1. Лекция
- •1.1. Наука. Функции науки
- •1.2. Естествознание – комплекс наук о природе
- •1.3. Методы естественнонаучных исследований
- •Тема 2. Лекция
- •2.1. Материя и ее свойства
- •2.2. Фундаментальные взаимодействия
- •Характеристики фундаментальных взаимодействий
- •2.3. Тепловое излучение. Рождение квантовых представлений
- •2.4. Гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств частиц
- •2.5. Опыты Резерфорда. Модель атома Резерфорда
- •2.6. Теория Бора для атома водорода. Постулаты Бора
- •2.7. Атом водорода в квантовой механике
- •2.8. Многоэлектронный атом. Принцип Паули
- •2.9. Квантово-механическое обоснование Периодического закона д. И. Менделеева
- •2.10. Основные понятия ядерной физики
- •2.11. Радиоактивность
- •Тема 3. Лекция
- •3.1. Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени. Законы движения
- •3.2. Законы сохранения
- •3.3. Принципы современной физики
- •3.4. Понятие о состоянии системы. Лапласовский детерминизм
- •3.5. Специальная теория относительности (сто)
- •3.6. Начала термодинамики. Представления об энтропии
- •Тема 4. Лекция
- •4.1. Химия как наука. Краткая историческая справка. Проблемы и перспективы современной химии
- •4.2. Химический элемент. Строение атома. Периодический закон
- •4.3. Химическое соединение, химическая связь
- •4.4. Химическая реакция, ее скорость, кинетика и катализ, биокатализаторы
- •4.5. Взаимосвязь химического строения и структуры неорганических и органических соединений
- •4.6. Эволюционная химия – отбор химических элементов во Вселенной
- •4.7. Концептуальные системы химических знаний
- •Тема 5. Лекция
- •Определения и терминология
- •Тема 6. Лекция
- •6.1. Общие представления о Вселенной
- •6.2. Галактики
- •6.3. Звезды
- •6.4. Солнечная система
- •Тема 7. Лекция
- •7.1. Форма и размеры Земли
- •7.2. Космические ритмы
- •7.3. Зональные комплексы
- •7.4. Комплексные природные зоны
- •7.5. Понятие о литосфере
- •7.6. Геологическое летосчисление
- •Геохронологическая шкала
- •7.7. Рельефообразующие процессы
- •Описание разрушений во время землетрясения и их соответствие баллам по шкалам Меркалли и Рихтера
- •7.8. Основные формы рельефа Земли
- •Классификация форм рельефа по их размерам
- •7.9. Минеральные ресурсы литосферы
- •Залежи полезных ископаемых в зависимости от строения и возврата участка земной коры и форм рельефа
- •7.10. Гидросфера
- •7.11. Атмосфера
- •7.12. Общие представления о географической оболочке
- •Тема 8. Лекция
- •8.1. Электромагнитные взаимодействия как определяющие химический и биологический уровень организации материи
- •8.2. Симметрия и асимметрия в природе
- •8.3. Самоорганизация природы (понятие синергетики)
- •8.4. Основные свойства самоорганизующихся систем Открытые системы
- •8.5. Представление о жизни в современном естествознании
- •8.6. Структурные уровни организации живой материи
- •Обзор царств организмов и некоторых важных подгрупп (по 3. Брему и и. Мейнке, 1999)
- •8.7. Гипотезы происхождения жизни
- •8.8. Физико-химические предпосылки для зарождения жизни на Земле
- •8.9. Теории эволюции органического мира Начальные этапы биологической эволюции
- •Возникновение и распространение организмов в истории Земли (по з. Брему и и. Мейнке, 1999 г.)
- •8.10. Основы генетики История возникновения генетики
- •Тема 9. Лекция
- •9.1. Биосфера, ее структура и функции
- •9.2. Живое вещество как системообразующий фактор биосферы
- •9.3. Биосфера – экосистема планетарного масштаба
- •9.4. Принципы устройства биосферы
- •9.5. Превращение биосферы в ноосферу
- •Тема 10. Лекция
- •10.1. Происхождение человека
- •10.2. Сходство и отличие человека и животных
- •10.3. Стадии эволюции человека
- •10.4. Соотношение биологического и социального в человеке
- •10.5. Здоровье человека. Демографические проблемы
- •10.6. Работоспособность и творчество
- •Тема 11. Лекция
- •11.1. Задачи, методы экологии как науки
- •11.2. Среды жизни, экологические факторы
- •Сравнительная характеристика сред жизни и адаптации к ним живых организмов
- •11.3. Современные экологические проблемы
- •11.4. Загрязнение окружающей среды
- •11.5. Влияние неблагоприятных экологических факторов на состояние здоровья человека
- •11.6. Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды
- •11.7. Экологическое образование
2.8. Многоэлектронный атом. Принцип Паули
В многоэлектронном атоме, заряд которого равен Ze, электроны будут занимать различные «орбиты» (оболочки). При движении вокруг ядра Z-электроны располагаются в соответствии с квантово-механическим законом, который называется принципом Паули (1925 г.). Он формулируется так:
В любом атоме не может быть двух одинаковых электронов, определяемых набором четырех квантовых чисел: главного n, орбитального /, магнитногоm и магнитного спинового ms.
В состояниях с определенным значением могут находиться в атоме не более 2n2 электронов.
Значит, на первой оболочке («орбите») могут находиться только 2 электрона, на второй – 8, на третьей – 18 и т. д.
Таким образом, совокупность электронов в многоэлектронном атоме, имеющих одно и то же главное квантовое число n, называют электронной оболочкой. В каждой из оболочек электроны располагаются по под оболочкам, которые соответствуют определенному значению /. Так как орбитальное квантовое число l принимает значения от 0 до (п – 1), число под оболочек равно порядковому номеру оболочки п. Количество электронов в под оболочке определяется магнитным квантовым числом ml и магнитным спиновым числом ms.
Принцип Паули сыграл выдающуюся роль в развитии современной физики. Так, например, удалось теоретически обосновать периодическую систему элементов Менделеева. Без принципа Паули невозможно было бы создать квантовые статистики и современную теорию твердых тел.
2.9. Квантово-механическое обоснование Периодического закона д. И. Менделеева
В 1869 г. Д. И. Менделеев открыл периодический закон изменения химических и физических свойств элементов в зависимости от их атомных масс. Д. И. Менделеев ввел понятие порядкового номера Z-элемента и, расположив химические элементы в порядке возрастания их номера, получил полную периодичность в изменении химических свойств элементов. Физический смысл порядкового номера Z-элемента в периодической системе был установлен в ядерной модели атома Резерфорда: Z совпадает с числом положительных элементарных зарядов в ядре (протонов) и, соответственно, с числом электронов в оболочках атомов.
Принцип Паули дает объяснение Периодической системы Д. И. Менделеева. Начнем с атома водорода, имеющего один электрон и один протон. Каждый последующий атом будем получать, увеличивая заряд ядра предыдущего атома на единицу (один протон) и добавляя один электрон, который мы будем помещать в доступное ему, согласно принципу Паули, состояние.
У атома водорода Z = 1 на оболочке 1 электрон. Этот электрон находится на первой оболочке (K-оболочка) и имеет состояние 1S, то есть у него n=1,а l =0(S-состояние), m = 0, ms = ±l/2 (ориентация его спина произвольна).
У атома гелия (Не) Z = 2, на оболочке 2 электрона, оба они располагаются на первой оболочке и имеют состояние 1S, но с антипараллельной ориентацией спинов. На атоме гелия заканчивается заполнение первой оболочки (K-оболочки), что соответствует завершению I периода Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. По принципу Паули, на первой оболочке больше 2 электронов разместить нельзя.
У атома лития (Li) Z = 3, на оболочках 3 электрона:2—на первой оболочке (К-оболочке)и1—на второй (L-оболочке). На первой оболочке электроны в состоянии 1S, а на второй – 2S. Литием начинается II периодтаблицы.
У атома бериллия (Be) Z = 4, на оболочках 4 электрона: 2 на первой оболочке в состоянии IS и 2 на второй в состоянии 2S.
У следующих шести элементов – от В (Z = 5) до Ne(Z = 10) – идет заполнение второй оболочки, при этом электроны находятся как в состоянии 2S, так и в состоянии 2р (у второй оболочки образуется 2 под-оболочки).
У атома натрия (Na) Z = 11. У него первая и вторая оболочки, согласно принципу Паули, полностью заполнены (2 электрона на первой и 8 электронов на второй оболочках). Поэтому одиннадцатый электрон располагается на третьей оболочке (М-оболочке), занимая наинизшее состояние 3S.Натрием открывается III период Периодической системы Д. И. Менделеева. Рассуждая подобным образом, можно построить всю таблицу.
Таким образом, периодичность в химических свойствах элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек у атомов родственных элементов. Так, инертные газы имеют одинаковые внешние оболочки из 8 электронов.