physics_saveliev_3 (535941), страница 59
Текст из файла (страница 59)
В соответствии с значением и слоям дают обозначения, заимствованные из спектроскопии рентгеновских лучей: и 1234567... Слой КЬМр7ОРС7... Подразделение возможных состояний электрона в атоме на оболочки и слои показано в табл. 5, в которой вместо обозначений пг, = -ь'/а пРименены символы: 7(. Оболочки, как указано в таблице, могут обозначаться двумя способами (например, Ь1 либо 2з). Для полностью заполненной оболочки характерно равенство нулю суммарного орбитального и спинового ') Этот принцип называют также принципом запрета мли принципом исключения, Он справедлив не только для алектронов, ио и для других частиц с молуцеяым алином. звз Таблица 5 'ой Оболоййа Слой о ! "'! о'о Оболочка Слой 0( тф ) ((()а) 0 0( Ц) ~ )), (4а) ((~1~0 О! 'Ц ! Е~ (2б) — 1 0 +1 31й (4р) -1 (Ф о )) ь (2р) +1 — 2 — 1 0 +! +2 0~ '1ф ~ И~ (Зб) 31, (43) — 1 0 +1 и, (зр) — 3 — 2 -1 0 +1 +2 +3 -2 — 1 0 +1 +2 Ф4 (4!) и, (зи) моментов ((- = 0; 5 = 0).
Следовательно, момент количества движения такой оболочки равен нулю (У = 0.) Убедимся в этом на примере Зц'-оболочки. Спины всех десяти электронов, входящих в эту оболочку, попарно компенсируют друг друга, вследствие чего 5 = О. Квантовое число проекции результирующего орбитального момента Мь этой оболочки на ось г имеет единственное значение ть,'~~т, =О.Следовательно, Е также равно нулю. Таким образом, при определении й. и Я атома заполненные оболочки можно не принимать во внимание. ф 77, Периодическая система элементов Менделеева Принцип Паули дает объяснение периодической повторяемости свойств атомов.
Проследим построение периодической си с те м ы эл ем енто в Д. И. М е нделеева. Начнем с атома с Е= ), имеющего один электрон. Каждый последующий атом будем получать, увеличивая заряд ядра предыдущего атома на единицу и добавляя к нему один электрон, который мы будем 369 помещать в доступное ему согласно принципу Паули состояние с наименьшей энергией.
В атоме водорода имеется в основном состоянии один !з электрон с произвольной ориентацией спина. Его квантовые числа: и = 1, 1= О, лг! = О, гп, = й!/з. Соответственно основной терм водородного атома имеет вид 2Я, Если заряд ядра атома водорода увеличить на единицу и добавить к нему еще один электрон, получится атом гелия. Оба электрона в этом атоме могут находиться в К-слое, но с антипараллельной ориентацией спиноз.
Так называемая электронная вл конфигурация амома может быть записана как 1з' (два Ря 1з-электрона). Основным тер- мом будет !5с (/. = О,З = гз = О,У О). На атоме гелия заканчи- вается заполнение слоя К. ~8!2 4~ ~42 4~ 62 Третий электрон атома лития ! а и может занять лишь уровень 2з Рис. 2!8. (рнс. 218). Получается элек- тронная конфигурация Ь'2з. Основное состояние характеризуется Т. = О, 3 = !/з, Поэтому основным термом, как и у водорода, будет ~Яч,.
Третий электрон атома лития, занимая более высокий энергетический уровень, чем остальные два электрона, оказывается слабее, чем они, связанным с ядром атома. В результате он определяет оптические и химические свойства атома. У четвертого элемента, бернллия, полностью заполняется оболочка 2з. У последующих шести элементов (В, С, Х, О, Р и г!е) происходит заполнение электро. нами оболочки 2р, в результате чего неон имеет полностью заполненные слои К (двумя электронами) н Т. (восемью электронами), образующие устойчивую систему, подобную системе гелия, чем обусловливаются специфические свойства инертных газов.
Процесс застройки электронных оболочек у элементов периодической системы наглядно представлен в табл. б. Одиннадцатый элемент, натрий, имеет, кроме заполненных слоев К и Т., один электрон в оболочке Зз. Электронная конфигурация имеет вид: Ьз2з'2риЗз. Основным 370 00 00 1'! с'с с э 3'фса ХХ а В а 00 с о а З а С0 ! ! ! ! ! ! ! ! ! счсО саса сас сО СО 00 00 00 00 00 СО 00 00 СО м оас !!=> СсЖ !С.с.с й са СО с'с са с' СО \О с са СЧСЧ СССЧ СЧСЧ СЧСЧ СЧ ! ! с'300 Сю са ОООСОСОООО С.С СЧО О< СОО'.! Й са ь с'300 с' О са ас сО сО аа са 00 00 са 0 00 О!О„О,СО О Сс Ос ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ф 00 Е%:~ йс Оссс'ч счсО ~'~ \Ос 00 о о "а оо о О 1 1 11 11 11 сосо 'с' ъ О~ оооо ~ЕЕо с.! !с!~ ца Ка о!щ сб ьс соо ь счоо ь Йььььььь о И со оо о 1111111111 11111!1111 11 11 11 1 сч сч сч — сч сч ч ос ос с оо ь л,„л о оль и сл~ !чу.
л!- кк а со ь счСо осо Ь со Жь оч с о с с. 372 термом будет зов. Электрон Зз связан с ядром слабее других н является валентным или оптическим электроном. В связи с этим химические и оптические свойства натрия подобны свойствам лития, Основное состояние оптического электрона в атоме натрия характеризуется значением и = 3. Этим и об.ьясняется то обстоятельство, что на схеме уровней атома натрия (см. рис. 204) основной уровень помечен цифрой 3. Попутно отметим, что атом цезия имеет в основном состоянии электронную конфигурацию 1зз2зз2рзЫЗрз 3<Ро4У4рз4Уобзз5рзбз Следовательно, его оптический электрон имеет в основном состоянии и = 6.
В соответствии с этим помечены уровни на рис. 205. У следующих за натрием элементов нормально заполняются оболочки Зз и Зр. Оболачка ЗН при данной общей конфигурации оказывается энергетически выше оболочки 4з, в связи с чем при незавершенном в целом заполнении слоя М начинается заполнение слоя Ж. Оболочка 4р лежит уже выше, чем ЗН, так что после 4з заполняется оболочка Зс(.
С аналогичными отступлениями от обычной последовательности, повторяющимися время от времени, осуществляется застройка электронных уровней всех атомов. При этом периодически повторяются сходные электронные конфигурации (например, 1з, 2з, Зз и т, д.) сверх полностью заполненных оболочек или слоев, чем обусловливается периодическая повторяемость химических и оптических свойств атомов. Как видно из табл. 6, заполнение оболочки 41, которая может содержать 14 электронов, начинается лишь после того, как полностью заполняются оболочки бз, 5р и бз, Квантовомеханнческий расчет показывает, что в Н- и особенно в )-состоянии электрон находится гораздо ближе к ядру, чем в з- и р-состояниях.
Следовательно, 41"- электроны располагаются во внутренних областях атома. Поэтому у элементов с номера 58 по 71, называемых редкими землями или лаитанидами, внешняя оболочка (бзэ) оказывается одинаковой. В связи с этим лантаниды весьма близки по своим химическим свойстваМ, которые определяются внешними (валентными) электронами. Аналогичную группу химически родственных элементов 374 образуют актиннды (атомные номера с 90 по 103), у которых заполняется 5/-оболочка при неизменной внешней оболочке 7зт.
Изложенные в $74 правила сложения моментов позволяют вычислить значения квантовых чисел /., 5 Н 7, возможные при заданной электронной конфигурации. Так, например, при конфигурации лр' (два электрона с главным квантовым числом и и 1= 1) возможными значениями /. будут О, 1, 2 (11 = 1, 1т = 1), а квантовое число 5 может иметь значения 0 и 1 (з, = '/м зт = '/т). В соответствии с этим, казалось бы, при конфигурации прт возможны термы: '3, 'Р, 'Р, »5, 'Р, Чу.
Однако при установлении вида термов, возможных при данной конфигурации эквивалентных электронов (т. е. электронов с одинаковыми п и 1), необходимо считаться с принципом Паули — для эквивалентных электронов возможны лишь такие термы, для которых значения хотя бы одного квантового числа (лт~ или и,) обоих электронов ие совпадают').
Этому требованию, очевидно, не удовлетворяет, йнпример, терм Ч). Действительно, /. = 2 означает, что орбитальные моменты электронов «параллельны», следовательно, значения лт~ у этих электронов будут совпадать. Аналогично 5 = 1 означает, что спины электро. нов 'также «параллельны», вследствие чего совпадают и значения лт,. В итоге все четыре квантовых числа (и, 1, гл, и гп,) у обоих электронов оказываются одинаковыми, что противоречит принципу Паули. Таким образом, терм Ч) в системе из двух эквивалентных электронов реализоваться не может. Чтобы установить возможные термы, согдасуюшиеся с принципом Паули, используют следучютций прием: в столбцах таблицы, помеченных значениями т~ отдельно взятого электрона, проставляют в виде стрелок значения гпе (стрелка вверх означает т, = +'/т, стрелка вниз— гл, = †'/т (см.
табл. 7, составленную для двух эквнваг леитных р-электронов). В таблице содержатся все допустимые принципом Паули сочетания значений пт~ и пт, обоих электронов. В тех случаях, когда обе стрелки попадают в один столбец (это означает, что ль обоих электронов одинаково), они направлены в противоположные ') Ллн неэквивалентных электронов, т, е, злентронов, отличаюнтнлси либо и, либо й либо н тем и другим, ато требование отнадает. 37б Таблица 7 стороны !!и, должны быть разными).
В следующих столбцах таблицы проставлены соответствующие данному сочетанию значения квантовых чисел М„и Мм равные алгебраической сумме чисел т, и т,. Совокупность допустимых значений Мс и Мз позволяет установить допустимые сочетания значений Е и 5. Одна из таких совокупностей, помеченная буквой А в последнем столбце таблицы, соответствует сочетанию Ь = 2, 3 = О, т. е. терму !О, вторая совокупность, помеченная буквой В, соответствует Ь = 1, Я = 1, т. е. терму 'Р и, наконец, совокупность, помеченная буквой С, соответствует Ь = О, 3 = =- О, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
