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

52908. Essen. Meine Lieblingsspeise 51 KB
  L.: Guten Tag, liebe Freunde! Ich freue mich, euch zu sehen! Heute arbeiten wir zum Thema „Essen“. Alle Leute haben ihre Lieblingsspeisen, nicht wahr? Wir werden heute über unsere Essengewohnheiten sprechen! Ich hoffe, dieses Thema ist für euch interessant. Also heute lesen wir einen Text, machen verschiedene Übungen, diskutieren über unsere Essengewohnheiten.
52909. Математична естафета: «Острів скарбів» Гра для учнів 8-9-тих класів 152.5 KB
  Ведучий 1. До нашої школи надійшло повідомлення від Старика Хотабича. Цей вельмишановний старець повідомляє, що на Таємничому Острові Скарбів він заховав чарівний напиток. Хто скуштує цього напитку усі задачі з математики буде мов насіння лускати. Отримає цей напиток той хто найкраще пройде математичну естафету. Для визначення переможця у нас працює рада розумних.
52913. Sport. Конспект урока по английскому языку 7 класс 65.5 KB
  One group told us about how to prepare to a football competition. Now we will listen another group with its project how to organize basketball game. Let’s start.
52914. Людина – частина Всесвіту. Етика, 6 клас 34 KB
  Визначте які риси і життєві правила притаманні людині яка живе в гармонії з природою. На великому аркуші паперу намалюйте її портрет на якому зобразіть визначені вами риси. Визначте які риси й життєві правила притаманні людині яка дбає про своє здоровя. На великому аркуші паперу намалюйте її портрет на якому зобразіть визначені вами риси.
52915. Використання ігрового матеріалу при вивченні і засвоєнні нових термінів на уроках етики 55 KB
  Використання у педагогічній практиці ігрових моментів це лише один з можливих шляхів отримання учнями знань з предмета реалізації своїх можливостей здобуття не тільки гарних оцінок але і задоволення від уроку гра допомагає дітям повірити в себе викликає натхнення і захоплення. Гра дає надзвичайно багаті можливості бо дозволяє кожній дитині відчути себе субєктом життєдіяльності виявляти і розвивати свою особистість. Але слід зазначити що гра це не самоціль а лише один із засобів у системі формування творчої допитливості. Гра ...