1626435914-6d29faf22cc9ba3862ba4ac645c31438 (844347), страница 58
Текст из файла (страница 58)
2 з 4. Спектры элементов с заполненными р-оболочками. В нормальном состоянии имеется последняя полностью заполненная оболочка пр~. Прн возбуждении возникает конфигурация, состоящая из остова пр и одного возбужденного внешнего электрона, что определяет своеобразные черты получающихся спектров. Спектры такого типа имеют инертные газы — Не, Аг, Кг, Хе, йп. 5. Спектры элементов с достраивающимися д-оболочками. Характерные черты спектров элементов, у которых происходит достройка внутренней д-оболочки, определяются наличием эквивалентных электронов (и — 1)И и их конкуренцией с электронами пз. Спектры этого типа, еше более сложные, чем спектры предьщущих типов, имеют элементы от 8с до Ы! в четвертом периоде (достройка оболочки Зд), от У до Рд а пятом периоде (достройка оболочки 4И) и от 1.ц до Р! в шестом периоде (достройка оболочки 54).
б. Спектры элементов с достраивающимися Э -оболочками Характерные черты спектров элементов, у которых происходит достройка внутренней у-оболочки, определяются наличием эквивалентных электронов (и — 2)у и их конкуренцией как с электронами (и — 1)И, так и с электронами пз. Спектры этого типа, отличающиеся особой сложностью, имеют элементы от 1.а до тЬ в шестом периоде (достройка оболочки 4у) и элементы от Ас в седьмом периоде (достройка оболочки 52).
Следует подчеркнуть, что деление спектров на типы является до некоторой степени условным. Например, как уже указывалось, спектры Сц, А8, Ац представляют собой наложение простого спектра первого типа и сложного спектра пятого типа. Спектры элементов с достраиваюшимися оболочками могут значительно отличаться по своему характеру в зависимости от числа эквивалентных электронов и наличия других конкурирующих электронов. Однако такое деление весьма целесообразно при систематическом рассмотрении спектров.
Мы в первую очередь рассмотрим, в гл. 8, одноэлектронные спектры щелочных металлов. Гл.9 посвящена основам общей систематики сложных спектров. й 7.6. Типы спектров различных элементов 215 В следующих главах разобраны различные типы сложных спектров, обусловленные наличием двух и более внешних электронов, в соответствии с изложенной выше классификацией. При этом, наряду со спектрами нейтральных атомов, мы будем параллельно рассматривать, в соответствующих главах, и спектры изозлектронных с ними ионизованных атомов, обладающих аналогичными нормальными конфигурациями (с.
210). ГЛАВА 8 ОДНОЭЛЕКТРОННЫЕ СПЕКТРЫ АТОМОВ С ОДНИМ ВНЕШНИМ Я-ЭЛЕКТРОНОМ й 8.1. Основной уровень атомов щелочных металлов таблица 8Л Электронные конфигурации атомов щелочных металлов Название элемента Символ Электронная конфигурация 2 2 2 ! 2 2 202 2 ь! 2Ча к кь Св Рг 3 2! !9 37 55 87 2в гвггрб гвзгрб гв'гр' ы'гр' 8 Литий Натрий Калий Рубилий Цезий Францнй Зв 3023р 40 Звззрб 40234204рб 50 Звззрб 40236204рб 50244205рб В !8 28 Число электронов в оболочках бв 32 Внешним электроном является электрон па, причем и меняется от 2 для лития до 7 для Франция.
В отличие от атома водорода и водородоподобных ионов, в которых ядро непосредственно воздействует на единственный электрон, в атомах щелочных металлов на внешний электрон воздействует не только ядро, но экранируюшие его внутренние оболочки. Последней заполненной оболочкой для всех элементов группы, кроме лития, является оболочка (и-!)р, для которой главное квантовое число на единицу меньше Б главного квантового числа внешнего электрона: оболочка 2р для !к!а (с внешним электроном Зя), оболочка Зрб для К (с внешним электроном 48) и т д. Литий занимает несколько особое место, поскольку он имеет лишь внутреннюю оболочку !в' и не имеет р-электронов, внутренних по отношению к электрону 28.
Очень важен вопрос о прочности связи внешнего электрона в нормальном а-состоянии, иначе говоря, об энергии ионизацни атома. Атомы шелочных металлов — лития, натрия, калия, рубидия, цезия„а также искусственного элемента Франция — имеют один внешний электрон, который в нормальном состоянии является в-электроном. Их спектры являются типичными одноэлектронными спектрами. Электронные конфигурации атомов щелочных металлов в нормальном состоянии приведены в табл.
8.!. 8 8.1. Основной уровень атомов щелочных металлов 217 Выражая энергию в-электрона через эффективный заряд Я' = Я вЂ” о„, по формуле (7.б), мы можем написать ВЯ' 22(Я- „,)' м л» = — Иг п2 пт «он. (8.1) Таблиаа 8.2 Энергетические характеристики нормального состояния атомов щелочных металлов В шестом и седьмом столбцах табл. 8.2 приведены значения Я' эффективного заряда и а„, постоянной экранирования, вычисленные по формуле (8.1), исходя из действительных значений энергии ион изаци и. Эффективный заряд растет от лития к цезию — электрон, проникая внутрь заполненных оболочек, относительно все сильнее подвергается действию ядра. Энергию электрона (8.1) можно представить в иной форме, считая заряд ядра, действующий на электрон, равным единице, но вводя вместо действительного значения главного квантового числа и его эффективное значение п'.
Тогда мы приходим к формуле 22 Е= —— ° 2' (8.2) где (8.3) У всех рассматриваемых атомов во внутренних слоях имеется Я вЂ” 1 электронов. Поэтому, если бы внутренние электроны полностью экранировали внешний электрон, то постоянная экранирования имела бы значение а„, = Я вЂ” 1 и формула (8.1) свелась бы к обычной формуле (1.5) для атома водорода. Соответствующие значения энергии связи приведены в четвертом столбце табл.
8.2. Мы видим, что если бы экранирование внутренними оболочками было полным, то энергия связи резко падала бы от Ы к Сз и для К, КЬ и Сз была бы меньше, чем 1 эВ. Однако действительная энергия связи гораздо больше благодаря тому, что в-электроны «проникают» внутрь заполненных оболочек и экранирование не является полным (см. э 7.3).
Значения действительной энергии связи, сравнительно медленно убывающие от !3 и Сз, приведены в пятом столбце табл. 8.2. Мы видим, что если для Ы энергия связи увеличивается примерно на б0% по сравнению с энергией связи электрона с тем же я в атоме водорода (Вг„,н = 340 эВ для и = 2), то для Сз она увеличивается в десять раз. Качественно это понятно: при увеличении главного квантового числа внутренний максимум электронной плотности остается очень близким к ядру, а заряд ядра возрастает, и поэтому все большую роль играет проникновение электрона внутрь заполненных оболочек. С точки зрения боровской теории это означает движение электрона по все более ао вытянутым эллипсам, с минимальным расстоянием от ядра порядка — (см.
(6.34)). 2Я 218 Глава 8. Спектрвг атомов с одним внешним в-электроном Величину Ь называют квантовым дефектом. Значения эффективного квантового числа и' и квантового дефекта гз для основного состояния атомов щелочных металлов также приведены в табл. 8.2 (столбцы 9 и ! О). Квантовый дефект закономерно возрастает от лития к цезию. В8.2. Возбужденные уровни и спектральные серии атомов щелочных металлов Возбужденные уровни атомов щелочных металлов соответствуют возможным состояниям внешнего электрона, в которых он связан слабее, чем в основном состоянии пв. Возможными являются все в-состояния с главным квантовым числом, превышающим и, а также и все р-, д-, у-состояния, кроме тех, которые соответствуют заполненным оболочкам (см.
табл. 8.3). Для атома данного элемента возможны все состояния, лежащие выше разделительной линии в табл. 8.3, причем самое нижнее в-состояние является нормальным, а все остальные состояния — возбужденные. Так, для лития заполнена оболочка 1в, состояние 2в является нормальным, а состояния Зв, 4в, ...; 2р, Зр, ...; ЗИ, 4д, ...; ... возбужденными. Для натрия заполнены оболочки 1в, 2в и 2р, состояние Зв является нормальным, а состояния 4в, 5в, ...; Зр, 4р,...; ЗИ, 4д,...;... — возбужденными. Аналогично обстоит дело и для других щелочных металлов.
'Гвблвцв 8.3 Возбужденныв состояния атомов щелочных металлов 8т 8р 8И 81" 8д 7а 7р 7И 71" 7д 1З Уровни с заданным значением азимугального квантового числа 1 образуют последовательность, сходящуюся к границе ионизации. Действительное расположение уровней для щелочных металлов показано на рис. 8.1'1. Уровни обозначены кружками. Горизонтальные пунктирные линии указывают положение уровней атома водорода.
Сильно проникающие в- и р-электроны связаны в атомах всех щелочных металлов гораздо прочнее, чем в атоме водорода. Для д-электронов этот эффект проявля- О При этом пренебрегается вубяетнын расшепаениеи уровней, си. В 8.1, ф 8.2. Уровни и спектральные серии атомов щелочных металлов 219 0000 70000 70й70 Л000 40й70 Рис.8.1. Уровни энергии атомов щелочных металлов ется лишь для калия, рубидия и цезия, 7-электроны во всех случаях связаны практически так же, как и в атоме водорода, их состояния являются водородоподобными.
Следует отметить, что в то время как прочность связи и- и р-электронов с наименьшим возможным и убывает от лития к цезию, прочность связи Н-электронов с наименьшим возможным и возрастает и приближается к прочности связи р-электронов. Мы видим, что отличие уровней атомов щелочных металлов от уровней атома водорода тем больше, чем меньше 1 при заданном и и чем меньше и при заданном 1.
Это объясняется увеличением проникновения внешнего электрона во внутренние оболочки с уменьшением 1 (т. е. с увеличением числа максимумов плотности электронного облака и с их приближением к ядру) и с уменьшением и (т, е, с уменьшением размеров электронного облака). В табл. 8.4 приведены численные данные, характеризующие прочность связи электрона в атоме натрия в зависимости от и и 1. Для сравнения приведены также данные для атома водорода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
