Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 115
Текст из файла (страница 115)
6. 2 228. Периодическая система элементов Менделеева Принцип Паули, лежащий в основе систематики заполнения электронных состояний в атомах, позволяет объяснить Периодическую систему элементов Д. И. Менделеева (! 869) — фундаментального закона природы, являющегося основой современной химии, атомной и ядерной физики, Д. И. Менделеев ввел понятие порядкового номера Х химического элемента, равного числу протонов в ядре и соответственно общему числу электронов в электронной оболочке атома. Расположив химические элементы по мере возрастания порядковых номеров, он получил периодичность в изменении химических свойств элементов. Однако для известных в то время 64 химических элементов некоторые клетки таблицы оказались незаполненными, так как соответствующие им элементы (например, Оа, 5е, Ое) тогда еше не были известны.
Д. И. Менделеев, таким образом, не только пранильно расположил известные элементы, но и предсказал существование новых, еше не открытых, элементов и их основные свойства. Кроме того, Д. И. Менделееву удалось уточнить атомные веса некоторых элементов. Например, атомные веса Ве и 1), вычисленные на основе таблицы Менделеева, оказались правильными, а полученные ранее экспериментально — ои>ибочными. Так как химические н некоторые физические свойства элементов объясняются внешними (валентными) электронами в атомах, то периодичность свойств химических элементов должна быть связана с определенной периодичностью в расположении электронов в атомах.
Поэтому для объяснения таблицы будем считать, что каждый последующий элемент образован из предыдущего прибавлением к ядру одного протона и с>ответственно прибавлением одного электрона в электронной оболочке атома. Взаимодействием электронов пренебрегаем, внося, где это необходимо, соответствующие поправки. Рассмотрим атомы химических элементов, находящиеся в основном состоянии. Единственный электрон атома водорода находится в состоянии (з, характеризуемом квантовыми числами и=1, 1=О, >п>=0 и т,= ~>/> (ориентация его спина произвольна). Оба электрона атома Не находятся в состоянии !з, но с антипараллельной ориентацией спина. Электронная конфигурация для атома Не записывается как !з> (два 1з-электрона).
На атоме Не заканчивается заполнение К-оболочки, что соответствует завершению 1 периода Периодической системы элементов Менделеева (табл. 1). Третий электрон атома Ы (2=3), согласно принципу Паули, уже не может разместиться в целиком заполненной К-оболочке и занимает наинизшее энергетическое состояние с и = 2 (>.-оболочка), т. е. 2з-состояние.
Электронная конфигурация для атома 10 !з'2з. Атомом Е! начинается П период Периодической системы элементов. Четвертым электроном Ве(Я =4) заканчивается заполнение подоболочки 2з. У следующих шести элементов от В (2 = 5) до (>(е (2 = 10) идет заполнение подоболочкн 2р (таб>л. 7). 11 период Пери. одической системы заканчивается неоном — инертным газом, для которого подоболочка 2р полностью заполнена. б. Элементы квантовой физики атомов, молекул и тэерлых тел Таблица 7 к с т о Е 1Я 25 Зз р 41 Н Не !Ч Одиннадцатый злентрон )у(а (2 =11) размещается в М-оболочке (и=3), занимая наннизшее состояние Зз. Элентронная конфигурация имеет вид !зт2зт2р"Зз. За-электрон (как и 2з-электрон Ы) являет- 3 4 5 6 7 8 9 !О 11 12 !3 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 255 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 1л Ве В С !и О Р ые На Мй А1 5! Р 8 С1 Аг К Са Зс Т! Ч Сг мй Ге Со 58 Со Уп Оа Ое Аз Зе Вг Кг ! 2 3 5 5 6 7 8 10 1О 1О 1О 10 !О !О !О ся валентным электроном, поэтому оптические свойства Ыа подобны свойствам Ы С 2=12 идет последовательное запалнение М-оболочки.
Аг (2=18) оказывается подобным Не и Ые: в его наружной оболочке все з- и р-состояния заполнены. Аг является химически инертным и завершает РП период Периодической системы. Девятнадцатый электрон К (2 =19) должен был бы занять Зг(-состояние в М-оболочке. Однако и в оптическом, и в химическом отношениях атом К схож с атомами (.! и )к)а, которые имеют внешний валентный электрон в з-состоянии. Поэтому 19-й валентный электрон К должен также находиться в з-состоянии, но это может быть тольно з-состояние новой оболочки (АГ-оболочки), т. е. заполнение Аг-оболочки для К начинается при незаполненной М-оболочке.
Это означает, что в результате взаимодействия электронов состояние п=4, 1=0 имеет меньшую энергию, чем состояние л=3, 1=2. Спектроснопические и химические свойства Са (2=20) показывают, что его 20-й электрон также находится в 4з.состоянии )Ч-оболочки. В последующих элементах происходит заполнение М-оболочки (от Зс (2 =21) до Еп (2=30)), Далее )Ч-оболочка заполняется до Кг (2=36), у которого опять- таки, как и в случае (у(е и Аг, з- и р-состояния наружной оболочки заполнены полностью. Криптоном заканчивается 1Ч период Периодической системы. Подобные рассуждения применимы и к остальным элементам таблицы Менделеева, однако эти данные можно найти в справочниках.
Отметим лишь, что и начальные элементы последующих периодов йй, Сз, Рг являются щелочными металлами, а их последний электрон находится в з-состоянии, Кроме того, атомы инерт. ных газов (Не, )х)е, Аг, Кг, Хе, Вп) занимают в таблице особое положение— в каждом из них з- и р-состояния наружной оболочки полностью заполнены и нми завершаются очередные периоды Периодической системы. Каждую из двух групп элементов— лантаниды (от лантана (2=57) до лютеция (2=71)) и актиниды (от актнния (Е= =89) до лоуренсия (2=103)) — приходит- Г л а в а 29. Элементы современной физики атомов н молекул ся помещать в одну клетку таблицы, так как химические свойства элементов в пределах этих групп очень близки.
Это объяс. няется тем, что для лантанидов заполнение подоболочки 4), которая может содержать 14 электронов, начинается лишь после того, как полностью заполнятся подоболочки 5з, 5р и бз. Поэтому для этих элементов внешняя Р-оболочка (бз') оказывается одинаковой. Аналогично, одинаковой для актинидов является Я-оболочка (7з'). Таким образом, открытая Менделеевым периодичность в химических свойствах элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек у атомов родственных элементов.
Так, инертные газы имеют одинаковые внешние оболочки из 8 электронов (заполненные з- и р-состояния); во внешней оболочке щелочных металлов ((.1, 5)а, К, ВБ, Сз, Рг) имеется лишь один з-электрон; во внешней оболочке щелочно-земельных металлов (Ве, М8, Са, 5г, Ва, ))а) имеется два з-электрона; галоиды (Р, С1, Вг, 1, А1) имеют внешние оболочки, в которых недостает одного электрона до оболочки инертного газа, и т.д. 9 229. Рентгеновские спектры Большую роль в выяснении строения ато. ма, а именно распределения электронов по оболочкам, сыграло излучение, открытое в 1895 г, немецким физиком В. Рентгеном (1845 в 1923) и названное рентгеновским.
Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическая мишень из тяжелых металлов, например Ф илн Р(), испытывая на нем резкое торможение. Прн этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны с длиной волны примерно !О " — 10 ' м. Волновая природа рентгеновского излучения доказана опытами по его дифракции, рассмотренными в $182. Исследование спектрального состава рентгеновского излучения показывает, что Рис.
Зоб его спектр имеет сложную структуру (рнс. 306) и зависит как от энергии электронов, так и от материала анода. Спектр представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн некоторой границей х и, называемой границей сплошного спектра, и линейчатого спектра — совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра. Исследования показали, что характер сплошного спектра соверщенно ие зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардируюших анод электронов.
Детальное исследование свойств этого излучения показало, что оно испускается бомбардирующими анод электронами в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Сплошной рентгеновский спектр поэтому называют тормозным спектром. Этот вывод находится в согласии с классической теорией излучения, так как при торможении движущихся зарядов должно действительно возникать излучение со сплошным спектром.
Из классической теории, однако, не вытекает существование коротковолновой границы сплошного спектра. Из опытов следует, что чем больше кинетическая энергия электронов, вызывающих тормозное рентгеновское излучение, тем меньше Х ы. Это обстоятельство, а также наличие самой границы объясняются квантовой теорией. Очевидно, что предельная энергия кванта соответствует такому случаю торможения, прн котором вся кинетическая энергия электрона переходит в энер- Зьк 6 илемкк1ы кккктокок фкзккк атомов, ми1екул к ткгрлык тел е и гию кванта, т. е. к — скпкк Рис. 307 где У вЂ” разность потенциалов, за счет которой электрону сообщается энергия Е,„, т„,„— частота, соответствующая границе сплошного спектра.
Отсюда граничная длина волны Х,.=с/т„„=сИ/(е0) =сИ)Е „, (229.! ) что полностью соответствует экспериментальным данным. Измеряя границу рентгеновского сплошного спектра, по формуле (229. () можно определить экспериментальное значение постоянной Планка И, которое наиболее точно совпадает с современными данными. При достаточно большой энергии бомбарднрующих анод электронов на фоне сплошного спектра появляются отдельные резкие линии — линейчатый спектр, определяемый материалом анода и называемый потому характеристическим рентгеновским спектром (излучением).
По сравнению с оптическими спектрами характеристические рентгеновские спектры элементов совершенна однотипны и состоят из нескольких серий, обозначаемых К, Е, М, ИУ и О. Каждая серия, в свою очередь, содержит небольшой набор отдельных линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами а, б, у, ...
(К, Км К„, ..., Е, Ем Ет ...). При переходе от легких элементов к тяжелым струк. тура характеристического спектра не изменяется, лишь весь спектр смещается в сторону коротких волн. Особенность этих спектров заключается в том, что атомы каждого химического элемента, независимо от того, находятся ли они в свободном состоянии нли входят в химическое соединение, обладают определенным, присущим только данному элементу линейчатым спектром характеристического излучения.
Так, если анод состоит из нескольких элементов, то и характеристическое рентгеновское излучение представляет собой наложение спектров этих элементов. Рассмотрение структуры и особенно- стеН характеристических рентгеновских спектров приводит к выводу, что их воз- никновение связано с процессами, происходящими во внутренних, застроенных электронных оболочках атомов, которые имеют сходное строение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
