Соколов А.А., Тернов И.М., Жуковский В.Ч. Квантовая механика (1185095), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Учитывая, что ! принимает значения О, 1, 2, ..., и — 1, мы найдем правило заполнения термов в любом слое. Например, последовательность заполнения четвертого периода (см. ниже) должна быть: 4з(я+1 4), зй(в+1 5), 4р(а+1 5) или шестого периода: бз(л+1 6), 41(а+1 7), 5й(и+1 7), бр(и+1 7) и т. д. (Клечкоэслпй В.
М. — ДАН СССР, 1951, 80, с. 603. См. также: Клечковский В. М. Распределение атомных электронов и правило последовательного заполнения (я + 1)-групп. — Мл Наука, 1968). Попробуем это показать на конкретных примерах. В пределах первого и второго периодов системы Менделеева порядок заполнения уровней согласуется со схемой уровней в атоме водорода. В слое п = 1 заполняется только 3-оболочка; в слое и = 2 сначала заполняется 3-, а затем и р-оболочка. Если бы для сложных атомов была применима эта идеальная схема, то можно было бы ожидать, что у калия с Л = 10 должна начать заполняться оболочка Зг(. Однако, согласно таблице 25.1, для калия 5» = 0,145, а бз = 2,23, поэтому энергии электронов, находящихся в состояниях 34( и 43, соответственно равны: )78 ЛЛ (3 — 0,146)з 2,854з )1Л 1тл (4 — 2,23)' 1,77з Отсюда следует, что Езл ) Еы, а поэтому раньше будет заполняться более глубокий уровень 48 и лишь затем Зп'.
Следовательно, третий период содержит так же, как и второй период, только восемь элементов (ыЬ)а — ~зАг) и состоит из Зз- и Зр-оболочек. После того как оболочка 48 у кальция (2 = 20) будет заполнена,можно ожидать, что у скандия (2 = 21) начнет образовываться 4р-оболочка. Однако изучение спектров показывает, что у последующих элементов (жЗс — зз%) заполняется сначала оболочка Зг( (включая ферромагнитные элементы), а затем уже, начиная с ззСп и кончая зеЕп, продолжается нормальное заполнение оболочек. Таким образом, четвертый период содержит 18 элементов и состоит из оболочек 48, Зс(, 4р. Следующий, пятый, период целиком повторяет четвертый период (зтйЬ вЂ” з4Хе), т.
е. содержит также 18 элементов (заполняются оболочки 58, 44(, 5р). 41З строение сложных Атомов $221 элемента (ббСз — ббцп), так как заполняется первая внутренняя вторая внутренняя оболочка 4) ид дд) период м 5Г еи е) Периодичность свойств элементов. Периодичность свойств элементов, открытая МЕНДЕЛЕЕВЫМ, ПОЛуЧаст На Рис 2б.т. Схема ваполиеяия электроиами аиергетических уровней в атомах г ериш и. ОСНОВЕ КВаНтОВОй МЕХаникн ческой системы элементов Менделеева. Оболочки а и Л могут лежать во внешнем ЕСтЕСтВЕННОЕ ОбЪяСНЕНИЕ.
Оиа слое. Оболочки О могут лежать, вачвквя СаяэаНа С ПсрИОЛИЧНОСУЬЮ В с первого внутРеннего ело». Оболочки могут лежать, начиная со второго внутрен- ЗаПОЛНЕНИИ ВНЕШНЕГО СЛОЯ, На аего слоя 1эвеадочкой обоэяачекы иомерэ котором может быть максимум 8 электронов (э- и р-термы) н который определяет не только оптические, но и химические (см. ниже $27) свойства атомов. Поэтому в зависимости от числа электронов на внешней орбите все элементы делятся на восемь групп (см. таблицу Менделеева на форзаце книги).
У элементов первой группы (водород и щелочные металлы) во внешнем слое имеется один электрон. Это приводит к тому, что оптические термы (за исключением э-терма) имеют дублетную структуру, а сами элементы, как будет показано ниже, яв-. Шестой период содержит 32 наряду с внешним слоем бэ, бр оболочка 5д (1О электронов) и (14 элементов группы лантаиидов). Точно так же седьмой период должен был бы целиком повторить шестой период, т. е. содержать 32 элемента (оболочки 7э, 57, бд, 7р), Однако к настоящему времени открыто лишь 18 элементов этого периода. Так называемые актиниды, у которых происходит заполнение второй внутренней оболочки 51 (эоТЬ— Уоз1 г), должны повторить свойства лантанидов. Итак, первый период содержит всего 2 элемента, второй и третий по 8, четвертый и пятый по 18, а шестой и седьмой по 32 элемента (седьмой период является незаконченным).
Порядок заполнения слоев и оболочек в атомах изображен на рис. 25.7. ,Уг-аайп ухну-ааиэ ди мса-ггаи Рт бу(м) (667лермд иаа в ау1п-мхв улу-хаба ер и Фи (767'еериод ибс-Огзп ти ЛЕр (767'период ,,и-„.рса бл ггиа-ино ) (дт' иериод до ,в- нв аи эвв ~ ® период го 1 ,и- ив I — ь' — — ге11гг м.г !Ч И! ТЕОРИЯ МНОГИХ ЧАСТИЦ 4!4 ляются одновалентными *). У элементов второй группы — и4е,точноземельные металлы (бериллий, магний, кальций и т.
д.)— имеется два валентных электрона, и поэтому спектральные тер. мы их должны быть синглетными и трнплетными, а валентность равняться двум. У элементов третьей группы во внешнем слое. находится три электрона, и поэтому максимальное расщепление их оптических термов должно равняться четырем (квартеты), и максимальная валентность — трем.
В седьмой группе галаганов (фтор, хлор и т. д.), наоборот, не хватает до заполнения слоя одного электрона: Поэтому наряду с максимальной положительной валентностью, равной семи, они мо!тут быть в так называемых ионных соединениях одновалентны)ви, т. е. обладать одной отрицательной валентностью. Наконец, 6 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 (2 = 1) и гелий (Я = 2), образующие первый период. В этом периоде имеется не восемь элементов, а всего лишь два. Это связано с тем обстоятельством, что К-слой 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 известно, у тех и других максимальное расщепление спектральных терман равняется 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 второй электрон, образуя, подобно галогенам; отрицательно заряженный ион. Гелий по числу электронов во внешнем слое (два электрона) должен напоминать собой щелочноземельные элементы второй группы.
Как у гелия, так и у щелочноземельных элементов спектральные термы должны представлять собой либо синглеты 1(спин равен нулю), либо триплеты (спии 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 реакции в принципе не должен вступать (см. стр. 453). з) Более подробно проблему валентности мы разберем в й 27, посвященном образованию молекул. Здесь же, забегая вперед, ограничимся небольшим замечанием о том, что число электронов во внешнем слое определяет положительную ионную валентность (или минимальную спяновую), а число недо.
ятающих до восьми — отрицательную, 416 стпоение сложных лтомОВ з 251 Как видно из периодической таблицы Менделеева (см. фор. зац книги), начиная со скандия (2 = 21) и кончая никелем (Л = 28), идет заполнение внутренней Зй-оболочки. Если в по. следнем случае группу определить общим числом электро. нов, находящихся в оболочках Зй и 4з, то приходится вво.
дить еще группы (1Х) и (Х). Последние носят формальный характер и никоим образом не характеризуют валентность, определяемую вообще числом нескомпенсированных спиноз (см, стр. 452), которых не может быть более восьми. По своим свойч ствам железо (2 = 26), кобальт (2 = 27) и никель (Л 28) похожи друг на друга, и поэтому, если исходить из химических нли физических свойств, их часто объединяют в одну группУ. В частности, они обладают особыми феррохсагнигныли свойствами, обусловленными нескомпенсированными спинами Зй-электронов во внутреннем слое.
Это связано с тем обстоятельством, что при образовании крнсталлнческой решетки тер мы Зй оказываются энергетически более выгодными, чем остав- П1ИЕСЯ ТЕРМЫ, ГДЕ СПИНЫ ЭТИХ ЭЛЕКтрОНОВ ОКОМПЕНСНРОВаНЫ з). После ферромагнитных атомов, начиная с меди (Я = 29) и кончая криптоном (2 =36), заполняются сначала 4з-, а затем 4р-оболочки.
Криптон завершает построение М-слоя (и = 4), и поэтому по своим оптическим и химическим свойствам относится к инертным газам. Как мы отметили, пятый период, начиная со щелочного металла рубидия (Е = 37) и кончая инертным газом ксеноном -(Л = 54), целиком повторяет четвертый период и нн. каких новых особенностей не содержит. Квантовая теория позволила также вскрыть особенности зач полнения электронных слоев элементов группы лантанидов. Для атомов этих элементов характерно последовательное заполнение глубоко лежащей 4)-оболочки (второй внутренний )ч'-слой), начиная от церия (Я=58) и кончая лютецием (2=71).
Поскольку химические свойства определяются в основном электронами внешнего слоя, все элементы группы лантанидов оказываются еще более близкими в химическом отношении, чем элементы, у которых заполняется первая внутренняя оболочка А В связи с анализом группы лантанидов следует заметить, что долгое время гафний (Л = 72) также относился к этой группе. Однако теоретический анализ, проведенный Бором, показал, что в этой группе не может быть более 14 элементов (возможное число )-состояний).
Тщательные эксперименты подтвердили, что гафний повторяет свойства циркония. ') Кстати заметим, что ферромагнитными свойствами могут обладать элементы, у которых не скомпенслрованы спины и во втором внутреннем слое (4роболочка). такой ферромагнитный элемент был открыт в группе редкин земель; нм окззалса гадолиний (3 64], теотня многих частиц 1ч пг Аналогом группы лантанидов в последнем, седьмом, периоде является группа актинидов.
Для э,тьменгов этой группы, следующих за актинием, начиная с торня (Л = 90), характерно заполнение глубоко лежащих 51-термов О-слоя (14 элементов) при полностью заполненных бзъ бр- 7з-термах. Заканчивается группа актинидов лоуренсием (Е = 103). ж) Статистический метод 7олгаса — Ферми. Наряду с приближенными методами, в основе которых фактически лежат методы квантовой механики, развивались, в особенности применительно к случаю тяжелых атомов, статистические методы, основы которых были заложень в работах Томаса и Ферми. При статистическом подходе электроны атома по аналогии с теорией металла рассматриваются как вырожденный электронный газ при Т = О.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
