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

65702. ОСОБЛИВОСТІ ЦИВІЛЬНО-ПРАВОВОГО СТАТУСУ ГОСПОДАРСЬКОГО ТОВАРИСТВА ОДНІЄЇ ОСОБИ (НА ПРИКЛАДІ ЗАКОНОДАВСТВА УКРАЇНИ ТА ФРН) 157.5 KB
  У теперішній час формування інституту господарського товариства однієї особи у рамках національного законодавства України нерозривно пов’язане із розвитком та вдосконаленням його у світовій практиці враховуючи орієнтацію національної економіки на глобалізацію...
65703. ГРОШОВО-КРЕДИТНЕ РЕГУЛЮВАННЯ ТА ЙОГО РОЛЬ У ЗАБЕЗПЕЧЕННІ РІВНОВАГИ ДОХОДУ ТА ПЛАТІЖНОГО БАЛАНСУ ДЕРЖАВИ 362.5 KB
  Фінансові системи країн ЦСЄ та колишнього Радянського Союзу істотно відрізняються обраними режимами грошово-кредитної політики та рівнем монетизації, проте динаміка монетарних показників залишається як універсальним індикатором відхилень від рівноваги доходу і платіжного балансу...
65704. Маркетинг-логістичне забезпечення діяльності машинобудівних підприємств 443 KB
  Тенденції щодо зростання рівня конкуренції на світових і національних ринках загострюють проблему пошуку товаровиробниками нових підходів щодо забезпечення ефективності виробничо-збутової діяльності промислового підприємства.
65705. Внутрішньомозкові і внутрішньошлуночкові крововиливи в результаті розриву аневризм переднього півкільця артеріального кола головного мозку (клініка, діагностика, лікування) 281.5 KB
  Необхідне подальше вивчення та практичне вдосконалення хірургічного лікування хворих з розривами АА, ускладненими ВМГ і ВШК, шляхом подальшого визначення показань і протипоказань, оптимальних строків, методів і обсягів оперативних втручань...
65706. Структурні зміни в нирках при експериментальній артеріальній гіпертензії та її фармакологічній корекції 139 KB
  Перспективним напрямком дослідження структурних змін нирок за умов АГ є використання експериментальних моделей зокрема щурів лінії СІСАГ спадково індукована стресом артеріальна гіпертензія. Тому використання вказаних щурів дає можливість прослідкувати поетапність...
65707. Внутрішньоісламські протиріччя в мусульманській уммі Криму: природа, стан, еволюція 160.5 KB
  Генезис та ескалація внутрішньорелігійних протиріч в ісламі який на теренах України переживає процес відродження та реінтеграції у нове для нього суспільне буття стали ще одним підтвердженням складності й багаторівневості релігійних процесів в умовах конфліктогенного...
65708. Наукові основи технологій одержання заряджених полімерних мембран з антибактеріальними властивостями 1.56 MB
  Мембранні технології в сучасному світі відіграють значну роль як у вирішенні локальних галузевих питань так і глобальних проблем що постали перед людством серед яких: забезпечення населення якісними продуктами харчування питною водою та сучасними джерелами енергії охорона...
65709. УДОСКОНАЛЕНІ ЗАХОДИ ДОГЛЯДУ ЗА НАСІННИКАМИ ЦУКРОВИХ БУРЯКІВ В УМОВАХ НЕСТІЙКОГО ЗВОЛОЖЕННЯ ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ 303 KB
  Одним із надійних шляхів підвищення урожайності та якості насіння гібридів цукрових буряків є впровадження у виробництво удосконалених технологій вирощування які забезпечували б високу продуктивність насінників тобто максимальну реалізацію їх біологічного потенціалу...
65710. Комп’ютерний комплекс моделювання динаміки фізіологічного стану людини при роботі у приміщенні 360 KB
  Забезпечення належних умов праці на робочому місці безпека технологічних процесів санітарнопобутові умови праці та створення комфортних умов перебування людини у приміщенні набувають особливого значення оскільки більшу частину свого часу людина проводить саме в приміщенні.