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

39197. Типы и методы организации производства 30.41 KB
  Организационные типы производства их характерные особенности. Методы организации производства. В зависимости от степени специализации технологического процесса и масштаба выпуска однородной продукции в организациях создаются производства различных типов.
39198. Религия как социальный институт 16.89 KB
  Религию можно охарактеризовать как социальный институт, специфика и смысл функционирования которого определяются потребностью общества в священном. Как отмечает Эмиль Дюркгейм, в основе религии лежат верования и действия, связанные с явлениями духовными, священными, а не мирскими.
39199. Социальные институты: виды, функции и роль в обществе 16.46 KB
  Социальные институты – устойчивые формы организации и регулирования общественной жизни. Их можно определить как совокупность ролей и статусов, предназначенных для удовлетворения определенных социальных потребностей.
39201. Имидж дальнего востока в блогах и социальных сетях 374 KB
  Определить смысл понятия «имидж региона» в качестве социального феномена. Определить элементы формирования территориального имиджа. Описать особенности формирования имиджа Дальнего Востока России. Описать место интернета в современных условиях и его место в социальной коммуникации. Определить смысл понятий «блог» и «социальная сеть».
39202. Огляд ринку комп’ютерної техніки 62.61 KB
  За його результатами у третьому кварталі 2011 року продаж стаціонарних комп’ютерів збільшився на 41 а ноутбуків на 64 порівняно до показника попереднього кварталу. В поточному році експерти очікують зростання продажів ноутбуків і планшетних комп’ютерів. Сезонний попит За результатами дослідження GfK Ukraine у ІІІ кварталі 2011 року продаж стаціонарних комп’ютерів збільшився на 41 порівняно з показником попереднього кварталу.
39204. Семья как социальный институт, ее исторические типы, функции 16.11 KB
  Специфика социологического изучения семьи заключается в том, что семья рассматривается как особый социальный институт, выполняющий одну из самых важных функций общества - воспроизводство его членов и осущестляющий их первичную социализацию.
39205. Основы истории и философии науки 181.35 KB
  Основы истории и философии наукИ Часть 1. Основы философии науки: лекционно курс Учебнометодическое пособие для аспирантов очной и заочной форм обучения СОКРАЩЕННЫЙ ВАРИАНТ Содержание Пояснительная записка. Курс лекций: Основы философии науки. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЛОСОФИИ НАУКИ.