165670 (Векторная модель многоэлектронного атома)
Описание файла
Документ из архива "Векторная модель многоэлектронного атома", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "химия" из , которые можно найти в файловом архиве . Не смотря на прямую связь этого архива с , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "химия" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "165670"
Текст из документа "165670"
14
11.1 Микросостояния и атомные термы в приближении Рассела-Саундерса.
Этот раздел целесообразно рассмотреть на конкретных примерах.
Содержание. Электронная конфигурация. Микросостояния и их систематизация. Порядок учёта кулоновских взаимодействий и постадийная классификация дискретных электронных уровней и состояний атома (электронно-ядерное притяжение и орбитальные уровни, межэлектронное отталкивание и атомные термы Рассел-Саундерса, спиновая корреляция и запрет Паули). Суммарные квантовые числа ML,MS,L,S. Атомное внутреннее квантовое число J. Термы нормальные и обращённые. Правила Хунда (1-е, 2-е и 3-е). Относительная шкала энергии атомных термов. Спектральные переходы и правила отбора. Атомные уровни в магнитном поле, эффект Зеемана (практикум).
Электронная конфигурация представляет собой исходное понятие. Оно определяется в нулевом приближении в оценке энергии. Далее постепенно учитываются всё более тонкие взаимодействия, и возникает более точная картина состояний и уровней многоэлектронного атома. Если атомный подуровень заселён не полностью, то возникает несколько различных микросостояний. Их характеристики непосредственно определяются комбинаторикой размещений электронов в системе спин-орбиталей.
Если n электронов заселяют g спин-орбиталей, то одно из формальных обозначений конфигурации (g,n). В её пределах число возможных микросостояний определяется согласно статистике Ферми: (g,n) = g!/[n! (g - n)!].
Пример 1: основная электронная конфигурация атома углерода C (1s22s22p2).
Конфигурация p2 (атомы IV группы элементов C, Si ...). (6,2) = 6! / [2! (6 -2) !]=15
| Перечислим все возможные варианты орбитальных размещений и спиновых комбина-ций 2-х электронов на трёх АО: | Орбитальные распределения двух электронов
| Возможно всего шесть размещений внутри p-АО без учёта спина Орбитальные распре-деления можно охарак-теризовать комбинаци-ями квантовых чисел частиц (m1, m2): (+1,+1) А ( 0, 0) Б ( -1, -1) В (+1, 0) Г ( +1, -1) Д ( 0, -1) Е |
Комбинации пространственных (орбитальных) состояний частиц в коллективе легко описать разными способами. Возможные спиновые комбинации в системе двух частиц-фермионов с половинным спином (электронов, протонов) можно представить разными способами. Можно изобразить ориентации спинов разными символами (стрелками, знаками или греческими буквами). Результат сложения компонент момента импульса вдоль оси вращения представим в одной из строк таблицы значениями суммарного магнитного квантового числа. Все возможные комбинации спиновых векторноотдельных электронов попадут в таблицу:
| Способ 1 | | Ї | Ї | ЇЇ | Эти три способа | |||||
| Способ 2 | (++) | (– +) | (–+) | (– –) | Описания | |||||
| Способ 3 | aa | ab | ba | bb | Идентичны | |||||
| Можно как-либо еще, а в итоге будет: | где MS(1,2)= mS(1)+ mS(2) | |||||||||
| MS(1,2) | 1 | 0 | 0 | -1 | ||||||
| MS(1,2) | +1 | 0 | –1 | |||||||
| Микросостояния в рамке, выделенные на тёмном фоне, принципу Паули не удовлетворяют и должны быть исключены из дальнейшего анализа | A | А А | А | |||||||
| A | Б Б | A | ||||||||
| A | В В | A | ||||||||
| Г | Г | Г | Г | |||||||
| Д | Д | Д | Д | |||||||
Из сочетания одного из орбитальных и одного из спиновых распределений с учётом запрета Паули (на одной и той же орбитали запрещены комбинации с параллельными спинами aa и bb) получается одна из возможных спин-орбитальных комбинаций. Такую комбинацию (размещение) называют микросостоянием оболочки. Микросостояния, выделенные жирным шрифтом в каждой отдельной ячейке таблицы, физически тождественны (). Нет способов различить состояния отдельных частиц в пределах общей орбитали - фазовой ячейки. Всего получено 15 микросостояний электронной оболочки в исследуемой конфигурации. Сравним разные приёмы табулирования признаков микросостояний.
Например:
| 1 | 0 | -1 | ML= ml(1)+ml(2) | MS= ml(1)+ml(2) | |
| ¯ | Аab | 2 | 0 | ||
| ¯ | Бab | 0 | 0 | ||
| ¯ | Вab | -2 | 0 | ||
| | | Гaa | 1 | 1 | |
| | ¯ | Гab | 1 | 0 | |
| ¯ | | Гba | 1 | 0 | |
| ¯ | ¯ | Гbb | 1 | -1 | |
| | | Дaa | 0 | 1 | |
| | ¯ | Дab | 0 | 0 | |
| ¯ | | Дba | 0 | 0 | |
| ¯ | ¯ | Дbb | 0 | -1 | |
| | | Еaa | -1 | 1 | |
| | ¯ | Еab | -1 | 0 | |
| ¯ | | Еba | -1 | 0 | |
| ¯ | ¯ | Еbb | -1 | -1 |
С помощью двойки чисел (ML, MS) можно частично охарактеризовать микросостояние оболочки, но это ещё не исчерпывающая характеристика.
Основное! Согласно законам сохранения в стационарных циклических движениях в классической механике следует, что в отсутствие внешних воздействий сохраняющимися динамическими величинами являются скалярная величина - энергия и векторная величина-момент импульса: 
. Эти законы сохранения справедливы и в квантовой механике, и коллективные многоэлектронные стационарные состояния оболочки атома, которые обозначим с помощью волновых функций 
, характеризуются постоянстовом этих величин.
10.1 Из-за неразрешимой сложности задачи невозможно получить весь спектр состояний-уровней многоэлектронного атома дедуктивным математическим способом подобно тому, как это делается в простых задачах квантовой механики в том числе и для водородоподобного атома. Количественный расчёт даже отдельного электронного уровня атома весьма непростая задача, но, тем не менее, классификация многоэлектронных состояний (и уровней) оболочки возможна и без количественной точности. Это достигается с помощью анализа вектора возможного момента импульса, и делается это как бы в обход прямого анализа уровней энергии. Оказывается достаточным классифицировать свойства суммарных орбитального и спинового моментов электронной оболочки. Эта классификация несложна, и достаточно наглядна.
Воспользуемся для неё следующими свойствами:
10.2. Основной характеристикой каждого стационарного состояния электронной оболочки является полная энергия – суммарный энергетический уровень. Энергия стационарного уровня является сохраняющейся скалярной величиной. В стационарном состоянии оболочки суммарный орбитальный момент импульса также сохраняется подобно тому, как это имеет место в орбитальном движении планет. Подобно энергии, момент импульса также является постоянной динамической характеристикой оболочки.
Момент импульса оболочки является векторно-аддитивной величиной и складывается из орбитальных моментов отдельных частиц.
Спиновое движение не зависит от орбитального, но его свойства подобны орбитальным. По этой причине отдельно суммируются спиновые моменты, и возникает самостоятельная динамическая характеристика электронной оболочки спиновый момент (энергия, орбитальный момент)
Комплект суммарных квантовых чисел (L, S) является квантовой характеристикой оболочки, которая в пределах определённой электронной конфигурации позволяет классифицировать набор состояний, относящихся к общему суммарному энергетическому уровню на данной стадии учёта элекростатических взаимодействий.
Удобно построить таблицу, в которой символически размещены микросостояния. Вдоль горизонтали таблицы расположим значения суммарного квантового числа MS и подобным же образом вдоль вертикали будем изменять значения суммарного орбитального числа ML.
В клетках этой таблицы разместим символы соответствующих микросостояний, представленных в предыдущей таблице. Это выглядит следующим образом:
| ML | MS | +1 | 0 | -1 |
| +2 | А | |||
| +1 | Г | Г Г | Г | |
| 0 | Д | Б Д Д | Д | |
| -1 | Е | Е Е | Е | |
| -2 | В |
Удобство этой таблицы состоит в том, что она позволяет увидеть в деталях схему распределения микросостояний по квантовым числам. При соблюдении несложных правил возникает возможность построить приближённые волновые функции. Для качественного анализа такая детализация не нужна, и можно упростить картину, придав таблице вид:
| ML | MS | +1 | 0 | -1 |
| +2 | ||||
| +1 | ||||
| 0 | ||||
| -1 | ||||
| -2 |
Произведём из неё выборку микросостояний, и сгруппируем их в следующие наборы:
1-я группа 2-я группа 3-я группа
