Строение многоэлектронных атомов

⇐ ПредыдущаяСтр 37 из 51Следующая ⇒

Теорию строения многоэлектронных атомов разработал А. Зоммерфельд. Состояние электрона в многоэлектронном атоме характеризуют четыре квантовых числа.

1. Главное квантовое число (n) определяет энергию электрона в атоме и энергетический уровень

n = 1, 2, 3,…

2. Орбитальное квантовое число ( ) характеризует орбитальный момент импульса электрона

где = 0, 1, 2,…(n - 1).

3. Магнитное квантовое число ( ) определяет проекцию орбитального момента импульса электрона на направление внешнего магнитного поля

где = 0, ±1, ±2,… ± , т.е. всего 2 + 1 значений.

Например, l = 1 соответствуют три значения = 0, +1, -1.

Для заданного значения n получают n² состояний:

Для n = 1, l = 0, = 0 число состояний равно n²= 1/

при n = 2, l = 0, = 0 и для l = 1, = 0,+1,-1 число состояний n²= 4.

Магнитное квантовое число учитывает, что вектор момента импульса в пространстве может иметь ориентацию. В магнитном поле энергетический уровень расщепляется на подуровней.

Соответственно каждая спектральная линия атома расщепляется на несколько линий. Расщепление спектральных линий в магнитном поле было открыто в 1896 г. и называется эффектом Зеемана. Позже наблюдали расщепление спектральных линий атома в электрическом поле (эффект Штарка).

4. В 1924 г. О. Штерн и В. Герлах обнаружили дополнительное расщепление спектральных линий в неоднородном магнитном поле.

Это явление называется тонкой структурой спектральных линий. Для объяснения явления американские физики Д. Уленбек и С. Гаудсмит предположили, что электрон имеет собственный момент импульса – спин

где s = 1/2 - спиновое квантовое число.

Магнитное спиновое квантовое число ( ) характеризует проекцию собственного момента импульса (спина) на направление внешнего магнитного поля

Магнитное спиновое квантовое число электрона принимает значения = ±1/2. (Магнитное спиновое квантовое число обычно называют спиновым квантовым числом, принимающим два значения = +1/2 и = -1/2).

Частицы с полуцелым магнитным спиновым квантовым числом называются фермионами.

Для фермионов выполняется принцип В. Паули (1925 г.): в системе одинаковых фермионов любые два из них не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

По принципу Паули: в атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел n, , , .

Количество различных состояний электронов в атоме с учетом спинового квантового числа равно

Периодическая система химических элементов

Электроны атома образуют электронные оболочки вокруг ядра. Состояние электрона в атоме обозначают

здесь n - главное квантовое число определяет номер электронной оболочки, N - число электронов в оболочке. Максимальное число электронов в оболочке равно

N _max = 2n².

Каждой оболочке соответствует символ, обозначаемый заглавной буквой.

Главное квантовое число	1	2	3	4	5	6	7
Символ оболочки	K	L	M	N	O	P	Q
Максимальное число электронов в оболочке	2	8	18	32	50	72	98

Оболочки делятся на подоболочки. Подоболочки определяются орбитальным квантовым числом (0, 1,… n-1), которое принимает целые значения от нуля до n-1.

Максимальное число электронов в подоболочке равно

Подоболочку обозначают строчной буквой.

	0	1	2	3
Обозначение	s	p	d	f
Число электронов в подоболочке	2	6	10	14

Рассмотрим распределение электронов в атоме. Порядковый номер атома водорода Z = 1, в ядре находится один протон. Нейтральный атом содержит один электрон N = 1.

Главное квантовое число равно n = 1, т.е. электрон находится в К-оболочке; орбитальное квантовое число = n - 1 = 1 - 1 = 0, что соответствует s-подоболочке: состояние электрона можно записать с помощью квантовых чисел: 1s¹.

Порядковый номер в таблице химических элементов атома гелия равен двум Z = 2, в нейтральном атоме находится два электрона N = 2, для них можно записать

n = 1, = n - 1 = 1 - 1 = 0: 1s².

У атома гелия полностью заполнена электронами К-оболочка, поэтому гелий является инертным газом.

У лития Z = 3, поэтому в нейтральном атоме три электрона N = 3. Два электрона находятся в К-оболочке, третий электрон находится в L-оболочке, для него можно записать

n = 2, = n - 1 = 2 - 1=1: состояние 2р¹.

Литий легко отдает этот третий электрон и вступает в химические реакции. У атома берилия четыре электрона и полностью заполнено 2s² состояние. У следующих шести химических элементов от бора до неона последовательно заполняется электронами 2р-подоболочка.

В М-оболочке у восьми химических элементов последовательно заполняются 3s и 3р-подоболочки.

У калия и кальция заполняются не 3d-подоболочки, а 4s, энергия которой меньше, т.е. энергетические уровни находятся ниже уровней, соответствующих 4s¹ и 4s² состояниям.

У следующих элементов скандия, титана и т.д. заполняется электронами 3d-подоболочка.

Физические и химические свойства элементов определяются строением внешних электронных оболочек атомов.

Металлы (Li, Na, K,…) имеют во внешней оболочке один электрон, который атомы легко отдают. Этим определяется большая химическая активность и электропроводимость металлов.

У инертных газов (He, Ne, Ar,…) полностью заполнены электронами оболочки, поэтому эти атомы не взаимодействуют с другими химическими элементами.

Галогены УІІ группы (F, Cl, Br, I, At) содержат 7 электронов во внешней оболочке. Для полного заполнения оболочки необходим один электрон, который атомы забирают у атомов других химических элементов, приобретая валентность -1 (Na⁺Cl^-).

Лантаноиды (от лантана(Z = 57) до лютеция(Z = 71)) помещают в одну

клетку таблицы химических элементов, т.к. их химические свойства одинаковые, потому что внешняя Р-оболочка лантаноидов одинакова. Внешняя 6s-подоболочка лантаноидов заполнена. Эти элементы отличаются заполнением 4f-оболочки.

Аналогично у актиноидов (от актиния(Z = 89) до лоуренсия (Z = 103)) одинакова внешняя Q-оболочка, поэтому их химические свойства одинаковы, и они расположены в одной клетке в таблице Д. Менделеева.

Существуют правила отбора, полученные в результате экспериментальных наблюдений.

Правила отбора разрешают переходы электрона в атоме из одного квантового состояние в другое, если выполняются условия:

- изменение орбитального квантового числа равно

∆ ;

- изменение магнитного квантового числа равно

∆ .

Остальные переходы электронов в атоме не наблюдаются.

Лекция 20

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 248; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 32 33 34 35 363738 39 40 41 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!