Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 23.
ЭЛЕМЕНТЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ.
23.1. Состояние электронов в атоме.
Из уравнения Шредингера следует, что каждое квантовое состояние электрона в атоме водорода характеризуется тремя квантовыми числами n , 1 , m , которым соответствует определенная энергия электрона, момент импульса и его проекция на выделенное направление ( Lz ).
Число возможных состояний подсчитывается по формуле
(23.1)
Состояния с одинаковой энергией называются вырожденными, а их число кратностью вырождения.
Квантовая теория не допускает существования орбит, как по теории Бора. Из уравнения Шредингера получают вероятность нахождения электрона внутри заданного объема W=||2 . Боровские орбиты электрона в атоме - это геометрические места точек, в которых с наибольшей вероятностью может быть обнаружен электрон (рис. 23.1). При n =1, l =0, т. е. в основном состоянии атома водорода, наиболее вероятным расстоянием от электрона до ядра будет один боровский радиус (квантово-механический смысл боровского радиуса).
Квантовые числа n и l характеризуют размер и форму электронного облака, а квантовое число характеризует ориентацию электронного облака в пространстве.
Часто значениям орбитального числа приписывают буквенные символы. Если l = 0, 1, 2, 3,..., то соответственно символы S , p , d , , ... Далее буквы по алфавиту. Значение n ставится перед условным l .( n =1, l =0, состояние - 1s ; n =3, l =1, состояние -3p и т. д.). Возможные состояния характеризуются таблицей 1. Таблица 1
Квантовые числа n , l , m, более полно описывают спектр испускания (поглощение) атома, чем в теории Бора.При этом
вводятся правила отбора, по которым возможен, только такой переход электрона, что орбитальное квантовое число изменяется на + 1 ,т. е. l= + 1
23.2. Спин электрона. Принцип Паули.
О. Штерн и В. Герлах проводили опыты по измерению магнитных моментов атомов. Результаты опытов показали пространственное квантование момента количества движения атома и магнитного момента атома в магнитном поле. Кроме того, из этих опытов необходимо предположить (это сделали С. Гаудсмит и Д. Уленбек ), что электрон обладает собственным неуничтожимым механическим моментом импульса, не связанным с движением электрона в пространстве, его назвали спином. Спину соответствуют собственный магнитный момент Pms . По законам квантовой механики спин квантуется по формуле ,а его проекция на внешнее магнитное поле (тоже квантуется ) определяется выражением LSZ=hmS , где mS - магнитное спиновое квантовое число. Оно может иметь двойное значение
(23.3).
В принятом выражении "спин + " подразумевается его проекция , т.е. в единицах .
Спин электрона - это его первичная характеристика (как масса , заряд ) и представление его как результат вращения вокруг собственной оси примитивно и приводит к противоречиям.
С учетом магнитного квантового числа, число возможных состояний электрона в атоме будет не n2 как (по формула 23.1),а
2n2, (23.4).
В 1925 г. В. Паули установил квантово-механический закон, называемый принципом Паули или принципом запрета Паули. В любом атоме не может быть двух электронов, находящихся в двух одинаковых стационарных состояниях, определяемых набором четырех квантовых чисел: n , l , m , ms. .
По формуле (23.4) в состояниях с данным значением в атоме может находиться не более 2n2 электронов, т.е. при n =1-2 электрона; при n =2-8 электронов; при n=3-18 электронов и т.д. Совокупность электронов с одинаковым n образует слой или оболочку. Слои в зависимости от значения числа n обозначаются как приведено в таблице 2. Таблица 2.
|
n |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
слой |
K |
L |
M |
N |
O |
P |
Q |
В каждой оболочке электроны распределяются по подоболочкам, т.е. состояниям с одинаковым . В таблице 3 приводится подразделение возможных состояний электронов в атоме на оболочки и слои, а также их количество в слоях и оболочках.
Таблица 3.
|
слой |
n |
l |
m |
ms |
электроны, оболочки |
|
K |
1 |
0 |
0 |
|
1S2 |
|
0 |
0 |
|
2S2 |
||
|
L |
2 |
-1 |
|
||
|
1 |
0 |
|
2P6 |
||
|
+1 |
|
||||
|
0 |
0 |
|
3S2 |
||
|
-1 |
|
||||
|
1 |
0 |
|
3P6 |
||
|
+1 |
|
||||
|
M |
3 |
-2 |
|
||
|
-1 |
|
||||
|
0 |
|
3d10 |
|||
|
+1 |
|
||||
|
+2 |
|
В последней графе указывается состояние электронов и их количество: 2 электрона в состоянии 1S ; 2 электрона в состоянии 2S ; 6 электронов в состоянии 2Р и т.д. В графе ms вместо обозначений применены символы . По аналогии можно построить оболочки для слоев N,O,P и т. д.
23.3. Электронная структура атомов и периодическая
система элементов Д.И. Менделеева.
Как известно, периодическая система элементов Д.И. Менделеева - фундаментальный закон природы, является основой современной химии, атомной и ядерной физики. Строение периодической системы можно объяснить и на основе закономерностей в строении атомов. Заполнение электронных оболочек происходит в соответствии с принципом Паули и принципом минимальной энергии электрона в данном состоянии. Вначале заполняются состояния с наименьшей возможной энергией, затем состояния со все более высокой энергией.
Для легких атомов этот порядок соответствует тому, что вначале заполняется оболочка с меньшим и лишь затем начинается заполнение электронами следующей оболочки. В пределах одной оболочки вначале заполняются состояния с l =0, а затем состояния с большим l до l = -1.
Рассмотрим атомы химических элементов, находящиеся
в основном состоянии.
Единственный электрон атома водорода находится в К- оболочке в состоянии 1S` ( n =1, l =0, m =0, ms = ).
Оба электрона атома гелия, находится в состоянии 1S , но с антипараллельной ориентацией спина ,т.е. 1S2 .На атоме гелия заканчивается заполнение k - оболочки, что соответствует завершению первого периода таблицы.
У атома лития начинает застраиваться L -оболочка. Третий электрон занимает наинизшее энергетическое состояние в L-оболочке.
Конфигурация электронов в атоме 1S2 2S` .
Такая последовательность заполнения электронных слоев идет до восемнадцатого элемента (аргона), конфигурация электронов которого 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 .
Девятнадцатый электрон калия должен был бы занять состояние 3d в М-оболочке, но он заполняет N - оболочку при незаполненной М.
Это означает, что в N -оболочке он имеет меньшую энергию, чем в незаполненной М. Свойства элементов определяются строением оболочек, например, инертные газы имеют полностью заполненные S- и Р- состояния наружной оболочки. Во внешней оболочке всех щелочных металлов ( Li, Na, K, Rb, Cs, Fr ) имеется лишь один -электрон. Т.о. закономерности, строения атомов объясняют строение периодической системы элементов Д.И. Менделеева.