goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 29
Текст из файла (страница 29)
В химических соединениях бериллий двухвалентен. Перейдем к атому бора (У = 5), В атоме бериллия полностью заполнен К-слой, а в Д-слое заполнена 2з-оболочка. Поэтому в атоме бора пятый электрон занимает одно из состояний в 2р-оболочке: состояние 2ртуэ. Структура электронной оболочки бора имеет Вид 1зкгэ2ззуэ2ртуя. Основным состоянием атома бора является состояние яРтуэ Несмотря на то что Лв > УВ„ ионизационный потенциал бора ниже. чем у бериллия, и составляет 8,3 В, Причиной этого понижения, как мы уже знаем, является экранирование ядра внутренними электронами атома.
Как всегда, для электронов с более высокими 1 (в нашем случае для р-электронов) экранирование оказывается более существенным, чем для электронов с меньшими 1 (для з-электронов). В оболочке 2р имеется шесть различных состояний, н в следующем атоме — атоме углерода (У = 6) — заняты уже два 2р-состояния. Принцип Паули требует, чтобы но крайней мере одно из двух квантовых чисел (т1 или тз) для этих двух состояний было различным. Но какие именно значения пм и заз имеют два р-электрона углерода, мы заранее сказать не можем, потому что схема заполнения электронных уровней, которой мы сейчас пользуемся, слишком груба — она не учитывает взаимодействия электронов в сложных атомах, один злектрон, в символической записи состояния всего атома удобно сохранять значение главного квантовОго числа этого злектрона.
150 ГДАВА 6 Предсказать конфигурацию электронной оболочки атома углерода в основном состоянии можно с помощью эмпирических п р аз ил Х у н д а. Согласно этим правилам наименьшей энергией обладает состояние с наиболыиим еозможнь!м значением Я и с наиболыиим еозмозкным при таком Я значением Х., УУри этом квантовое число,7 равно !ю — В~, если заполнено не более головины оболочки, и равно й+ 8 е остальньгх случаях. Таким обрэзом, из всех разрешенных квантовой механикой значений д при заданных Ь и 8 согласно правилу Хунда в основных состояниях атомов реализуются только крайние значения'.
Применим правила Хунда к атому углерода. В атоме углерода запяты электронами только два из шести йр-состояний. Наибольшее значение суммарного спина достигается, если спинь! обоих электронов направлены в одну сторону, так что Я = 1. Принцип Паули такого состояния не запрещает, поскольку квантовые состояния электронов могут отличаться направлением векторов 1. На рис. 58 схематически изображены шесть возможных состояний в р-оболочке.
Первые три состояния отличаются от вторых трех направлением спина. Без ограничения общности можно считать, что оба спина направлены вверх, так что речь идет о последних трех состояниях. Если это нс так, нужно перевернуть направление оси х. Из рис, 58 видно, что состояние с орбитальным моментом 5 =- 2 при этом пе может быть получено, так как такое значение Ь возникает лишь в том случае, если орбитальные моменты обоих электронов направлены в одну сторону, что запрещено принципом Паули.
Наибольшее возможное значение 5 равно единице. Применяя последнее из правил Хунда, найдем, что д должно быть равно нулю, поскольку 2р-подоболочка у углерода заполнена менее чем наполовину. Основное состояние атома углерода является поэтому зУьо-состоянием. Пользуясь правилами Хунда и рис. 58, нетрудно сообразить, что основное состояние атома азота (Х =- 7) — ~Язуз В самом деле, в этом слу !ае заняты все три 2р-состояния со спинам вверх, так что полный спин атома азота Я =;5у'2, а мультиплетность равна 2 Зу'2 + 1 = 4. Полный орбитальный момент равен нулю, так как складываются моменты электронов, имеющих все три возможные ориентации вектора 1.
Основным состоянием атома кислорода (Х = 8) является состояние Р~. Четыре электрона 2р-оболочки кислорода не могут обладать одним и тем же направлением спина. Один из них дояжен иметь противоположное нзправление. Поэтому полный спин равен (1у2) (3 — 1) =.. 1. Орбитальный момент трех электронов с одним направлением спина компенсируется. Остается момент четвер- !Сформулированное выше правило Хунда определяет поведение электронов, принадлежашях к одной оболочке, т.е.
эквивалентных электронов. У легких атомов электроны либо входят в состав заполненных оболочек и обладают нулевыми суммарными квантовыии числами, либо принадлежат к вновь заполняемой оболочке При этом правила Хундв определяют суммарное состояние электронов ие только заполняемой оболочки,но и всего атома. В более тяжелых атомах могут иметься две незаполненные оболочки.
В этом слу !ае сначала во правилу Хунда определяются суммарные квантовые состояния эг!ектронов, принадлежащих каждой незаполненной оболочке, а затем рассчитыва!ется квантовые числа всего атома. Ллв этого полученные кван~овне числа вновь складываются с помощью правил Хунда. $32. Пвпиодичкскля систвмя элвмкнтов Д. И. Мв!!двлвввх !51 ! 2 3 4 6 м= О пъ=-!/2 ~п= ! м=о ю= — ! ~п= ! |п = — ! и»= — !Р2 !п= !Дз и»= !/2 и!= !/Л ы = — !,'2 Рис. 58. Схема возможных квантовых состояний р-электрона. того электрона, равяый единице. Вектор У = Я+ В = 1+ 1 = 2, и т.д.
(табл. 3). Все восемь состояний (два 2а-состояния и шесть 2р-состояний) в Д-слое заполнены у атома неона (Я = 10). Из рис. 58 видно, что в заполненной 2р-оболочке все угловые моменты язаимно компенсируются и у атома неона Д = О, Я = О и .У = О. Основное состояние неона — Во, Основное состояние атомов с почти заполненными оболочками проще всего находить, исходя из состояния со вполне заполненной оболочкой. »ак, чтобы найти основное состояние фтора (Е = 9) с пятью электронами в 2р-подоболочке, достаточно заметить, что для полного комплекта здесь не хватает одного электрона Поскольку в заполненной подоболочке В = Ь =.
3 — О, квантовые числа Я и Д атома фтора равны квантовым числам недостающего электрона. Квантовое число з вычисляется из найденных В и Л с помощью последнего правила Хунда. Это состояние поэтому является Рз»з-состоянием. Отсчитывая состояния от заполненной оболочки, указывают число свободных мест в ней, или, как принято говорить, число д ы р о к н оболочке. Квантовые числа дырок равны квантовым числам электронов.
Основное состояние фтора является состоянием с одной дыркой в 2р-оболочке. У кислорода две дырки в этой оболочке. Квантовые числа Я и Ь должны поэтому совпадать у бора и фтора, у углерода и кислорода — у атомов с одинаковыми количествами электронов или дырок. Квантовые числа ! у этих атомов разные, поскольку у бора и углерода и = !!. — Я(, а у кислорода и Фтора,1 = Д + 5. По »»ере увеличения числа электронов на 2р-оболочке первый ионизационный потенциал почти монотонно возрастает (тзбл.
3), и у атома неона он достигает 21,6 В. Высокое значение ионизационного потенциала (и малая энергия сродства к «лишнему» одиннадцатому электрону) обусловливает химическую инертность неона. Как и гелий, неон входит в число благородных газов. В нормальных физических условиях они находятся в газообразном состоянии. Их атомы не объединяются в молекулы и не вступают в химические реакции. (Это утверждение является точным только для атомов, находя!пихся в основ- Глана 6 152 о Ю О 1 2 Н Не 3 4 53Ве 5 6 7 8 910 в ь' В СЫОге4е Р Р Р Р Р Р 11 12 ЫаМК 13 14 15 16 17 18 в ва А! 8! Р 8 С! Аг Р Р Р Р Р Р Звв Зр 24 25 26 27 28 29 30 Сг Мп Ге Со Ы! Си Хп Двв Дава двэа И ва Ивва 4эовдгоэа 42 43 44 45 46 47 48 Мо Тс Вп КЬ Рб Ад Сд !Б 45 а !т дв дго !го дго 2 55 56 Са Ва 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 8485 86 Ец Н! Та 44Г йе Оа 1г Р! Ац Нд Т! РЬ В! Ро А! Кп г!в г1эва г!ава г!вва 4вва г!ева г!тяа г!эв г!говДгова Р Р' Р' Р' Р' Р' 87 88 Гг йа в в 103 104 1.г Кп ,~ гав 5У бг!! бв 6 4У бг! бр 19 20 К Са 2 в в 31 Оа Р 3 38 ВЬ Бг в в 49 1п Р Таблица 4.
Заполнение электронных оболочек 21 22 23 5с Т! 32 33 34 35 36 г!в~ г1~в~ дава Сге Аа Зе Вг Кг Р Р Р Р Р 39 40 41 гг ЫЬ 50 51 52 53 54 г!в г! в г! в 5п 5Ь Те 1 Хе Р Р Р Р Р "В32. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И.МЯ11ДЕЛЕЕВЛ 1оЗ ном состоянии. Возбужденные атомы благородных газов могут входить в состав молекул («эксимеры»). Такие молекулы они образуют с атомами галогенов. Возбужденные молекулы благородных газов (АРГ', ХеСГ и др.) используются в так называемых аксимерных лазерах, обладающих очень важным свойством — перестраиваемой частотой излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
