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

52382. Розробка бінарного уроку на тему: «Вплив податкової системи на формування державного бюджету» 534 KB
  Згідно даних динаміки доходів Держбюджету України за 2003-2010 роки найбільшим джерелом доходів держбюджету є податок на додану вартість. Другим за величиною джерелом надходжень до бюджету є податок на прибуток підприємств. Вплив держбюджету на розвиток економіки Підприємство сплачує до дохідної частини держбюджету три основних види податків: акцизний збір податок на додану вартість податок на прибуток. Є ціле розмаїття податків про яких багато хто навіть і не чули 1 ведучий Податок на...
52383. Сімейний бюджет. Доходи і витрати сім’ї 138 KB
  Доходи і витрати сімї. Мета: поглибити знання про доходи сімї як джерело збільшення її багатства; види доходів витрати обовязкові платежі бюджет родини; вчити планувати бюджет родини раціонально розраховувати витрати і співставляти їх з доходами; усвідомити свою роль у формуванні сімейного бюджету; виховати грамотного споживача та дбайливого господаря. Основні поняття: доходи витрати бюджет сімї збалансований бюджет надлишковий бюджет дефіцитний бюджет....
52384. Відбитки готових природних форм (листя, трава). Композиція «Букет осіннього листя у вазі» 156.5 KB
  Актуалізація опорних знань Читання загадки вчителем Скажіть про яку пору року говориться в загадці Загадка Дрібненький дощик сумно плаче І листячко жовтогаряче З дерев повільно опадає Яка пора це наступає Осінь Чим вам подобається осінь А чи любите ви збирати листочки А що з ними можна зробити скласти букет зробити віночок ІІІ. Робота над темою уроку Вступна бесіда Ось і прийшла золота осінь. додаток 1 Вирушаючи з вами на осінню прогулянку до лісу ми уважно...
52385. Полуфабрикаты 294.5 KB
  В зависимости от источников образования и целевого назначения имущество организаций разделяют на собственное собственный капитал и заемная. Собственный капитал это вложения собственников и прибыль накопленная за время деятельности организации. Собственный капитал.Заемный капитал.
52387. Сценарий праздника “Прощанье с букварем” 65.5 KB
  Учитель. Дорогие гости! Сегодня мы проводим традиционный праздник в первом классе – Праздник Букваря. Говорят, Азбука – к мудрости ступенька. Вот вы и одолели самую трудную, самую важную первую ступеньку на пути к знаниям! Много праздников прекрасных На листках календаря, А меж ними тоже праздник Школьный – праздник Букваря.
52388. Праздник «Прощай, Букварик» 101.5 KB
  Многие из вас не умели читать и писать знали только некоторые буквы. Мы при расставании скажем на прощанье: Тебе за всё спасибо наш дорогой Букварь Буквы мы узнали слоги прочитали И сложили в слоги целые слова После в предложенье. Вдруг на удивленье сразу получилось Родина моя А потом и мама та что моет раму Дети в мяч играют Речка небо лес А ещё в программе прочитали сами Буквы на экране Поле из чудес. Напишу в тетради не оценки ради Буквы алфавита и пример решу.
52389. Прощание с Букварём 60.5 KB
  Букварь Книга для чтения. Плакат: Спасибо тебе Букварь Модель золотого ключика Диалог между мальчиком и девочкой В зале у нас суматоха и шум шёпот движения споры. Мы закончили первую школьную книгу букварь. А научил Вас читать и писать наш умный интересный и добрый друг букварь.
52390. Праздник «ПРОЩАЙ, БУКВАРЬ» 110 KB
  За год наши звездочки подросли поумнели многому научились и стали настоящими звездами а настоящие звезды ездят только в лимузинах вот посмотрите сами и вот подъехал лимузин и по красной дорожке идут наши звезды встречайте Музыкальная заставка Дети идут по звездной дорожке репортеры берут у них интервью Репортер: Скажите трудным для вас был первый год учебы Ученик: ответ Смех и слезы радость и печаль За год довелось нам испытать Но стараний...