Соколов А.А., Тернов И.М. Квантовая механика и атомная физика (1185094), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Наконец, следует подчеркнуть, что с развитием ядерной физики оказалось возможным получить трансурановые элементы, начиная с нептуния (2=93) и кончая курчатовием (2= 104). Таким образом, периодическая система на сегодняшний день содержит без каких-либо пропусков 104 элемента. Заполнение слоев.
Заполнение уровней электронных слоев согласно квантовой механике происходит в соответствии со следуюшими правилами: а) В силу принципа Паули в каждом квантовом состоянии не может быть более одного электрона; поэтому максимальное число электронов с заданным ! равно 2(21+ 1). Так, в оболочках з, р, д и ! соответственно может находиться максимум 2, 6, !О и 14 электронов.
б) Электроны стремятся занять более низкие энергетические уровни. Поэтому вначале должны заполняться слои с п=1, затем с в=2, с п=3 и т. д. Такое заполнение имело бы место в так называемой идеальнои схеме, когда в атоме с порядковым номером 2 действие ядра и оставшихся У вЂ” 1 электронов определяется потенциалом в предположении, что все эти заряды находятся в центре. Тогда для оставшегося электрона мы получаем вырожденную по 1 систему уровней атома водорода. Однако, как было показано при исследовании щелочных металлов, учет взаимодействия между электронами снимает вырождение по 1. Оболочки в определенном слое (т. е.
с фиксированным значением главного квантового числа л) располагаются в порядке возрастания 1. Поэтому сначала заполняются з-, затем р- и, наконец, г(-оболочки. Более зого, оболочка 4з оказывается расположенной ниже оболочки Зг( (точно так же 5з ниже 4г(), а оболочка 6з ниже не только оболочки Ы, но даже ниже оболочки 4) (аналогично 7з ниже 5!). В итоге оказывается, что внешний слой (для невозбужденных атомов) может сосзоять только из оболочек з и р. Оболочки г( и 1 могут заполняться, когда они лежат соответственно в первом и во втором внутреннем слое, если за первый й 25.
Строение сложных атомов 309 внутренний слой взять слой, расположенный непосредственно вблизи к внешнему, и т. д.'. Попробуем это обосновать на конкретных примерах. В пределах 1-го и 2-го периодов системы Менделеева порядок заполнения уровней согласуется со схемой уровней в атоме водорода. В слое п = 1 заполняется только 8-оболочка; в слое л=2 сначала заполняется з-, а затем и р-оболочки. Если бы для сложных атомов была применима эта идеальная схема, то можно было бы ожидать, что у калия с Л=!9 должна начать заполняться оболочка Зс(. Однако согласно таблице 25.1 для калгия ба=0,146, з 0,=2,23, поэтому энергии электронов, находящихся в состояниях Зс( и 48, соответственно равны: >75 Дй> (3 — 0,146)» 2,854» ' И> Рб Е (4 — 2,23)' 1,77' Отсюда следует, что Езл)Е„, а поэтому раньше будет заполняться более глубокий уровень 48 и лишь затем Зсг.
Следовательно, третий период содержит так же, как и второй период, только восемь элементов (ы(ч)а — 1зАг) и состоит из Зэ- и Зр-оболочек. После того как оболочка 48 у кальция (7=20) будет заполнена, можно ожидать, что у скандия (2=21) начнет образовываться 4р-оболочка. Однако изучение спектров показывает, что у последующих элементов (а15с — мйВ) заполняетс>г сначала оболочка Зс( (включая феоромагнитные элементы), а затем уже, начиная с здСц и кончая заХп, продолжается нормальное заполнение оболочек.
Таким образом, 4-й период содержит 18 элементов и состоит из оболочек 48, Зс(, 4р. Следующий, пятый период целиком повторяет четвертый период (зтйЬ вЂ” з«Хе), т. е, содержит также 18 элементов (заполняются оболочки 58, 4гт', 5р). ' Последовательность заполнения электронных оболочек наиболее просто можно запомнить, исходя из следующего правила: заполнение уровней происходит в порядке возрастания суммы главного п орбитального квантовых чисел л+1, причем уровни с одинаковым значением этой стмэ>ы заполняются. как правило, в порядие возрастания л (правило Клечкавского). Учитывая, что 1 принимает значения О, 1, 2, ..., л — 1, л>ы найдем правило заполнения терман в любам слое. Например, йоследовательность заполнения четвертого периода (см.
ниже) должна быть: 4з(я+1=4), Зг((я+1=5), 4р(л41=5) или шестого периода; бт(л+1=6), 41(л+1=7), бд(и+1=7), бр(я+1=7) т. д. (В. »Ы. К печк а вск и й. ЛЛН СССР, 80, 603 (1951); см. такж»г В 5(, Кл еч ко вс к и й. Распределение атомных электронов и правило по. следавательного заполнения (л +!)-групп. 5(., «Наука», 1968). зто част ь гп теория многих частиц бр йу(ге) : 'ьа бх „д)и -„хе 50 У -.Сб 40 агйй-мбг 55 и 6 а -тех г эр и Зс-агап 50()0) ПК -ИСа 5р лнв-пмй 55 ггг/л 5'ь(-,ЗЕ 25 )()7 ПЕРИ04 )() (52) ПЕР 04 У (Гб) ПЕРИ04 Ы (гб) пе Ри 04 Фиг.
25 7. Схема заполнения электроиамн энергетических уровней в атомах периодической системы элементов Менделеева. Ш й)) П Е Р и 04 ПЕРП04 (2) ПЕРИ04 Оболочки а и р могут лежать во внешнем слое. Оболочки б могут лежать начиная с первого внутреннего слоя. Оболочки могут лежать начиная со вто. рого внутреннего слоя )авеапо гкоа обоаначеиы номера неоткрытык влементовь Шестой период содержит 32 элемента („Сз — ан)сп), так как наряду с внешним слоем 65, бр заполняется первая внутренняя оболочка 5)5' (10 электронов) и вторая внутренняя оболочка 4) (14 элементов группы лантанидов). Точно так же седьмой период должен был бы целиком повгорить шестой период, т.
е. содержать 32 элемента (оболочки 75, 5), 65(, 7р). Однако к настоящему времени открыто лишь !8 элементов этого периода. Так называемые актиниды, у которых происходит заполнение втоРой внУтРенней оболочки 5) (дэТ)) — )од!.г), должны повторить свойства лантанидов. Итак, первый период содержит всего 2 элемента, второй и третий по 8, четвертый и пятый по !8, а шестой и седьмой по 32 (седьмой период является незаконченным) Порядок заполнения слоев и оболочек в атомах изображен на фиг. 25.7. 371 6 2Я Гтроенне гломных атомов Периодичность свойств элементов.
Периодичность свойств элементов, открытая Менделеевым, получает на основе квантовой механики естественное объяснение. Она связана с периодичностью в заполнении внешнего слоя, на ко;ором может быть максимум 8 электронов (з- и р-термы) и который определяет не только оптические, но и химические (см. ниже 5 27) свойства атомов.
Поэтому в зависимости от числа электронов на внешней орбите все элементы делятся на восемь групп (см. вклейку в конце книги). У элементов первой группы (водород и щелочные металлы) во внешнем слое имеется один электрон. Это приводит к тому, что оптические термы (за исключением з-терма) имеют дублетную структуру, а сами элементы, как будет показано ниже, являются одновалентными '. У элементов второй' группы — щелочноземельные металлы (берилий, магний, кальций и т. д )— имеется два вален гных электрона и поэтому спектральные термы их должны быть сннглетными н триплетными, а валентиость равняться двум. У элементов третьей группы во внешнем слое находится три электрона, и поэтому максимальное расщепление их оптических термов должно равняться четырем (квартеты), а максимальная валентность — трем. В 7-й группе галогенов (фтор, хлор и т.
д.). наоборот, не хватает до заполнения слоя одного электрона. Поэтому наряду с максимальной положительной валентностью, равной семи, они могут быть в так называемых ионных соединениях одновалентными, т. е. обладать одной отрицательной валентностью. Наконец, в группе инертных газов (неон, аргон, криптон и т.
д.) старый внешний слой полностью заполнен, а новый еще не начал заполняться, благодаря чему их относят к восьмой группе. Однако из этого общего правила (наличие в каждом периоде восьми элементов) имеется ряд исключений. Первое исключение представляет собой водород (Я=!) и гелий (Л=2), образующие первый период. В этом периоде имеется не восемь элементов, а всего лишь два. Это связано с тем обстоягельством, что К-слог! не включает р-оболочки. Следовательно, эти элементы обладают до некоторой степени двойственными свойствами.
В самом деле, по числу электронов во внешнем слое водород, как мы уже отмечали, должен повторять химические и оптические свойства щелочных металлов. Как извесгио, у тех и других максимальное расщепление спектральных термоа равняется ' Более подробно проблему валено ости мы разберем в $27, посвященном образованию молекул Здесь л е, забе:ан вперел, ограничимся неоольшцм злмечаниеьг о том, мо число электронов во внешнем слое определяет полоэкн~ельную ионную валентность (или мнниыальн>ю спиновую), а число недостающих до восьми — отрицательную 372 ч зст ь гн теоеня многих частиц двум, а валентность единице.
Однако по числу недостающих электронов водород напоминает группу галогенов (не хватает до заполнения внешнего слоя одного электрона), а поэтому он может присоединять лишний, п~орой электрон, образуя, подобно галогенам, отрицательно варях.енный ион. Гелий по числу электронов во внешнем слое (два электрона) должен напоминать собой щелочноземельные элементы второй гоуппы. Как у гелия, так и у щелочноземельных элементов спектральные термы должны представлять собой либо сннглеты (спин равен нулю), либо триплеты (спнн равен единице).
Однако по своим химическим свойствам гелий является типичным представителем инертных газов, так как у него внешний К-слой полностью заполнен, и поэтому он ни в какие химические реакпии в принципе не должен вступать (см. стр. 411]. Как видно из периодической таблицы Менделеева, начинал со скандия (З = 21) и кончая никелем (л = 28) идет заполнение внутренней Зс( оболочки (см. приложение в конце книги). Если в последнем случае группу определить общим числом алек-роков, находящихся в оболочках Зд и 4з, то приходится вводить еще группы (!Х) и (Х). Последние носят формальный характер и никоим образом не характеризуют валентность, определяемую вообще числом нескомпенсированных спинов (см.
стр. 410), которых пе может быть более восьми. По своим свойствам железо (2 = 26), кобальт (л = 27) и никель (2 = 28) похожи друг на друта и поэтому, если исходигь из химических или физических свойств, их часто объединяют в одну группу. В частности, они обладают особыми ферромагнитными свойствамн, обусловленными нескомпенсированными спинами Зт'- электронов во внутреннем слое. Это связано с тем обстоятельством, что при образовании кристаллической решетки термы Зс( оказываются энергетически более выгодными, чем оставшиеся термьп где спины этих электронов скомпенсированы '. После ферромагнитных атомов, начиная с меди (7=29) и кончая криптоном (л=361, заполняются сначала 4т, а затем 4р-оболочки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
