28170

Многоэлектронные атомы. Электронные оболочки атома и их заполнение. Физическое объяснение периодического закона. Рентгеновские спектры атомов

Доклад

Физика

Электронные оболочки атома и их заполнение. Такая одноэлектронная собственная функция атома называется атомной спинорбиталью АО. При рассмотрении многоэлектронного сложного атома можно воспользоваться приближением центрального поля. Однако в сложных атомах энергия электронов зависит как от главного квантового числа так и от орбитального квантового числа то есть происходит снятие вырождения по .

Русский

2013-08-20

186.5 KB

16 чел.

70  Многоэлектронные атомы. Электронные оболочки атома и их заполнение. Физическое объяснение периодического закона. Рентгеновские спектры атомов

В квантовой механике состояние электрона в поле ядра характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным ( 1, 2, 3, …), орбитальным ( 0, 1, 2, …, ), магнитным (0,) и спиновым (). Такая одноэлектронная собственная функция атома   называется атомной спин-орбиталью (АО).

Совокупность АО (квантовых состояний), соответствующих определенному значению квантового числа , образует электронный слой, обозначаемый буквой или цифрой:

Главное квантовое число,

1

2

3

4

5

Обозначение слоя

K

L

M

N

O

Совокупность АО с определенными значениями квантовых чисел n и  формирует так называемую электронную оболочку, обозначаемую следующим образом:

Орбитальное квантовое число,

0

1

2

3

4

Обозначение оболочки

Число  состояний, формирующих - ю электронную оболочку, определяется по формуле . Число квантовых состояний , формирующих n-ый электронный слой, определяется по формуле .

При заданном значении  водородоподобному атому соответствует определенная энергия Еn (-ый энергетический уровень). Данное значение энергии относится к  квантовых состояний. Энергетический уровень Еn называется вырожденным, а  является кратностью вырождения  -го уровня.

При рассмотрении многоэлектронного (сложного) атома можно воспользоваться приближением центрального поля. Тогда возможно описание состояний каждого электрона в атоме с помощью квантовых чисел . Однако в сложных атомах энергия электронов зависит как от главного квантового числа , так и от орбитального квантового числа , то есть происходит снятие вырождения по . Снятие вырождения по  в сложных атомах является следствием взаимодействия между электронами атома.

Основными принципами, лежащими в основе порядка заполнения АО сложного атома электронами, являются:

  1.  В каждом квантовом состоянии не может быть более одного электрона (принцип Паули);
  2.  При дополнении электронной оболочки каждым последующим электроном получаемая при этом атомная система должна обладать минимальной энергией.

Правило Клечковского гласит: заполнение оболочек электронами происходит в порядке возрастания величины , причем состояния с одинаковым значением этой суммы заполняются, как правило, в порядке возрастания .

Пользуясь правилом Клечковского, можно составить ряд возможных состояний в порядке возрастания их энергии следующим образом:

1

2

2

3

3

4

3

4

5

Каждая электронная оболочка содержит  АО. Порядок заполнения АО, формирующих данную оболочку, определяется эмпирическим правило Гунда: порядок заполнения состояний данной оболочки электронами таков, что их суммарный спин имеет максимальное из возможных значение.

Электронная конфигурация сложного атома – это запись, указывающая количество электронов на каждой электронной оболочке атома в порядке возрастания их энергии. Например, электронная конфигурация атома натрия () в нормальном состоянии имеет вид . Электроны полностью заполненных внутренних оболочек ( - для ) совместно с ядром образуют остов, в поле которого движется внешний () электрон. Электроны внешних оболочек называются валентными или оптическими, поскольку именно их состояниями определяются и химические свойства, и структура оптических спектров атомов.

Состояние атома, характеризующееся минимальной энергией, называется основным. При поглощении энергии извне (например, энергии излучения) атом переходит в состояние с большей энергией (в возбужденное состояние). Это означает, что один или несколько оптических электронов переходят в более высокоэнергетическое состояние.

Рентгеновский спектр испускания сложного атома (рисунок 1) представляет собой совокупность нескольких узких линий , , … на фоне непрерывного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн величиной . Совокупность острых максимумов интенсивности, положение которых зависит только от природы вещества анода, называется характеристическим рентгеновским излучением. Характер непрерывного спектра не зависит от вещества анода, а зависит только от кинетической энергии бомбардирующих его электронов. Непрерывный рентгеновский спектр излучается самими электронами при их торможении веществом и называется тормозным спектром.

Граница сплошного рентгеновского спектра  (рисунок 1) связана с минимальной кинетической энергии электронов, при торможении которых вся кинетическая энергия электрона переходит в энергию кванта, т.е.  

Каждая линия характеристического рентгеновского спектра возникает в результате перехода атома из одного энергетического состояния в другое, а частота излучения определяется правилом частот Бора:

.                                                           (1)

Рентгеновскому излучению соответствуют короткие длины волн (10-12 - 10-9) м. Следовательно, квантовые переходы совершаются внутренними электронами атома.

Электрон, падающий на материал анода, выбивает электрон с одной из внутренних оболочек атома, в результате чего в ней образуется вакантное квантовое состояние. Электроны с более удаленных от ядра оболочек, обладающих более высокой энергией, могут перейти в освободившееся состояние. В результате этого перехода испускается квант излучения, соответствующий рентгеновской области.

Энергию электрона, расположенного в одной из внутренних оболочек атома, можно представить в виде

,             (<<  - постоянная экранирования.)       (2)

Рентгеновский терм, как следует из (2), может быть представлен следующим образом:

.                                              (3)

Из (3) следует соотношение, называемое законом Мозли

:                                                (4)

корни квадратные из рентгеновских термов линейно зависят от порядкового номера элемента .

Если электрон выбит из -оболочки (), то в рентгеновском спектре испускания наблюдается -серия, из -оболочки - -серия и т.д. (рисунок 2).

Линии испускания в рентгеновских спектрах возникают в результате переходов между рентгеновскими уровнями с учетом обычных правил отбора:

,   , .

В соответствии с этими правилами, в -серии возникают линии  и  (при переходах между - и -термами), линии  и  (при переходах между - и -термами) и т.д. При возбуждении наиболее глубоко лежащего -слоя возникает не только -серия, но и весь рентгеновский спектр.

PAGE  1


0                
1      2                                   

I

исунок 1 - Типичная кривая распределения интенсивности в рентгеновском спектре испускания

2

1

2

1

1

2

     K

     L

      M

     N

Электр слои

L-серия

M-серия

12S1/2

22S1/2

22P1/2

22P3/2

32S1/2

32P1/2

32P3/2

32D3/2

32D5/2

42S1/2

42P1/2

42P3/2

42D3/2

42D5/2

42F5/2

42F7/2

Рисунок 2- Формирование рентгеновских характеристических спектров испускания (без соблюдения масштаба)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34370. Оптимизация и экономическая оценка технологических процессов 23 KB
  Другими словами можно определить что расходные коэффициенты – это затраты на единицу продукции с учетом качества потребляемого сырья и стоимости. Эти затраты связаны с увеличением степени чистоты используемого сырья. характеризует сколько может получится целевого продукта с единицы сырья. К= m сырья m целевого продукта C1 C2 = Пц Пп В технологических процессах используется несколько видов сырья.
34371. Понятие технологического процесса, основные его параметры и характеристики 30 KB
  Производственный процесс это совокупность всех действий людей и орудий труда необходимых для изготовления или ремонта продукции. Технологический процесс это основная часть производственного процесса направленная на получения из сырья готовой продукции. Экономические: производительность выпускаемой продукции П = Q t кГ ч т ч; где Q количество произведенной продукции кГ т шт. 100 где Qф фактическое количество произведенной продукции кГ т шт.
34372. Динамика произв. затрат при развитии технол. процесса 55 KB
  Прошлого овеществленного труда Тп включающего в себя все затраты труда связанные с получением исходного для данной технологии продукта а также затраты на орудия труда используемые в анализируемом технологическом процессе; 2. Живого труда Тж включающего все затраты человеческого труда предусмотренные в анализируемом технологическом процессе на выпуск готовой продукции. Общие удельные затраты на единицу продукции представляющие собой сумму прошлого и живого труда Тс = Тп Тж min являются наиболее обобщенными технологическими...
34373. Структура технологического процесса 50 KB
  Структура технологического процесса. Любой технологический процесс можно рассматривать как систему более мелких технологических процессов или как часть более сложного техн. В структуре сложного техн. процесса можно выделить всегда элементарный техн.
34374. Основные варианты развития технологических процессов и их характеристика 23 KB
  элементов приводит к росту производительности живого труда за счет высвобождения человека и сокр. труда за счет увеличения доли прошлого труда что соотв. такое развитие процессов при котором увеличение производительности совокупного труда происходит при увеличении затрат прошлого труда за счет механизации и автоматизации вспом. за счет уменьшения как живого так и прошлого труда на единицу продукции.
34375. Закон рационалистического развития технологических процессов 24.5 KB
  развития технологического процесса происходит прямая замена живого труда прошлым. При этом каждое последующее увеличение производительности труда требует все больших затрат прошлого труда на единицу прироста производительности совокупного труда. Достигнутый уровень затрат прошлого труда это техн. Годовые затраты прошлого труда сумма годовых амортизационных отчислений от стоимости оборудования и всех остальных годовых затрат за исключением затрат на предмет труда обозначим через Фт руб год.
34377. Определения уровня технологического процесса 19.5 KB
  Уровень технологии – это показатель эффективности переноса прошлого труда на технологический процесс. Уровень технологии определяется произведением производительности прошлого и живого труда. Понятие уровень технологии – важная характеристика любого технологического процесса. Для расчета уровня технологии необходимо иметь зависимости Тж от Тп.
34378. Платёжный баланс, его роль, содержание и прогнозирование 60.5 KB
  Процентные ставки на международных рынках являются важным фактором определяющим чистые процентные поступления на текущий счет а вместе с процентными ставками на внутреннем рынке они заметно влияют на объем и направление потоков капитала. При прогнозировании важно учитывать сочетание прогнозного результата по текущему счету с допустимыми значениями притока капитала для покрытия дефицита. При прогнозировании финансового счета необходимо различать три основные категории: прямые инвестиции перемещения средне и долгосрочного капитала и...