Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 58
Текст из файла (страница 58)
В результате он определяет оптические и химические свойства атома. У четвертого элемента, бериллня, полностью заполняется оболочка 2з. У последующих шести элементов (В, С, И, О, Р и Ие) происходит заполнение электронами оболочки 2р, в результате чего неон имеет полностью заполненные слои К (двумя электронами) н Ь (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.
6. Одиннадцатый элемент, натрий, имеет, кроме заполненных слоев К и Т., один электрон в оболочке Зз. Электронная конфигурация имеет вид: 1зз2ззйраЗз. Основным 370 1 счео тгао <р о оо оо оо о ййс ЯРэййЖ 1111!111 1 11! 1 11 1 1 11 11 11! ! — сч со чГ~С>)~а ) М х~!<Й~,ио< СЧСО 3'Ю Ю~ 00 термом будет зЯь.
Электрон Зз связан с ядром слабее других и является валентным или оптическим электроном. В связи с этим химические н оптические свойства натрия подобны свойствам лития. Основное состояние оптического электрона в атоме натрия характеризуется значением и = 3. Этим и обьясияется 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 1 згйзз2рзЗзтЗрзМ~о4зз4рз4(робзтбрзбз 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. Оболочка И при данной общей конфигурации оказывается энергетически выше оболочки 4з, в связи с чем при незавершенном в целом заполнении слоя М начинается заполнение слоя Ф. Оболочка 4р лежит уже выше, чем Зд, так что после 4з заполняется оболочка Зд. 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 н оптических свойств атомов. Как видно из табл. 6, заполнение оболочки 4), которая может содержать 14 электронов, начинается лишь после того, как полностью заполняются оболочки 5з, 5р и бз. Квантовомеханический расчет показывает, что в д- и особенно в 1-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 лантанидами, внешняя оболочка (бзз) оказывается одинаковой. В связи с этим лантаниды весьма близки по своим химическим свойствам, которые определяются внешиимн (валентными) электронами. Аналогичную группу химически родственных элементов 374 образуют актиниды (атомные номера с 90 по 103), у которых заполняется 51-оболочка при неизменной внешней оболочке 7зх. Изложенные в $ 74 правила сложения моментов позволяют вычислить значения квантовых чисел х„ 5 И У, возможные при заданной электронной конфигурации. Так, например, при конфигурации прт (два электрона с главным квантовым числом и и 1= 1) возможными значениями х. будут О, 1, 2 (1, = 1, 1» = 1), а квантовое число Я может иметь значения 0 и 1 (з~ = Чэ, зт = Чэ).
В соответствии с этим, казалось бы, при конфигурации прэ возможны термы: '5, 'Р, Ю, % 'Р, эхт. Однако при установлении вида термов, возможных при данной конфигурации эквивалентных электронов (т. е. электронов с одинаковыми и и 1), необходимо считаться с принципом Паули — для эквивалентных электронов возможны лишь такие термы, для которых значения хотя бы одного квантового числа (ль или гп„) обоих электронов не совпадают'). Этому требованию, очевидно, не удовлетворяет, йвпример, терм Ч).
Действительно, Е = 2 означает, что орбитальные моменты электронов «параллельны», следовательно, значения ль у этих электронов будут совпадать. Аналогично 3 = 1 означает, что спины электронов 'также «параллельны», вследствие чего совпадают и значения гп,. В итоге все четыре квантовых числа (и, й лт~ и т,) у обоих электронов оказываются одинаковыми, что противоречит принципу Паули. Таким образом, терм Ч9 в системе из двух эквивалентных электронов реализоваться не может. Чтобы установить возможные термы, согдасующиеся с принципом Паули, используют следующий прием: в столбцах таблицы, помеченных значениями это отдельно взятого электрона, проставляют в виде стрелок значения эп, (стрелка вверх означает гп, = +17т, стрелка вниз— т, = †'/х (см.
табл. 7, составленную для двух эквивалентных Р-электронов). В таблице содержатся все допустимые принципом Паули сочетания значений гп~ и л4 обоих электронов; В тех случаях, когда обе стрелки попадают в один столбец (это означает, что т~ обоих электронов одинаково), они направлены в противоположные ') Ллв иеэквивалеитиых электровов, т. е электронов, отличвв- щихск либо и, либо й либо и теи и другам, это требование отвадает. 37б Таблица 7 аЧ мх-Х а! стороны (гп, должны быть разными). В следующих столбцах таблицы проставлены соответствующие данному сочетанию значения квантовых чисел Ма и Ма, равные алгебраической сумме чисел гп, и гп,. Совокупность допустимых значений Ма и Ма позволяет установить допустимые сочетания значений Е и 5. Одна из таких совокупностей, помеченная буквой А в последнем столбце таблицы, соответствует сочетанию Е = 2, 5 = О, т.
е. терму !В, вторая совокупность, помеченная буквой В, соответствует Е = 1, 5 = 1, т. е. терму 'Р и, наконец, совокупность, помеченная буквой С, соответствует й = О, Б = =-О, т. е. терму '5. Таким образом, из указанных выше шести формально возможных терман не противоречат принципу Паули только три: '5, аР, !В, причем терм 'Р является триплетом — он'подразделяется на компоненты: аРа, аРь 'Р,.
Возникает вопрос, какой из этих термен соответствует основному состоянию, т, е. состоянию с наименьшей энергией. Ответ на этот вопрос дают два эмпирических п р а в и л а Х у н д а. !. Из термен, даваемых эквивалентными электронами, наименьшей энергии соответствует терм с наиболь- 376 +2 +! +! +! +! О 0 0 0 Π— 1 -! — ! — ! -2 0 +! ΠΠ— ! +! 0 Π— ! 0 +! О 0 — ! 0 А В А В В В А В В С В А В В А шим возможным значением 5 (т. е. терм с наибольшей мультиплетностью) и с наибольшим возможным прн таком 5 значением У. 2.
Мультиплеты, образованные эквивалентными электронами, являются правильными (это значит, что с увеличением У возрастает энергия состояния), если заполнено не более половины оболочки, и обращенными (с увеличением У энергия убывает), если заполнено больше половины оболочки. Из второго правила Хунда следует, что в случае, когда заполнено не более половины оболочки, наименьшей энергией обладает компонента мультиплега с У = ~ У.-5~, в противном случае — компонента с У вЂ” У.
+ 5. В рассмотренном нами примере двух р-электронов наименьшей энергией обладает терм 'Р (у него наибольшее 5), а из, трех его компонент наименьшей энергией обладает 'Рм так как оболочка заполнена только на одну треть (в р-оболочке может находиться 6 электронов). Отметим, что результирующие моменты заполненных оболочек равны нулю. Поэтому при определении с помощью правила Хунда основного терма. атома следует рассматривать только незаполненную оболочку. Конфигурацией прз сверх заполненных оболочек обладают углерод (С), кремний (Я), германий (Ое), олово (Бп) и свинец (РЬ). У всех этих элементов основным является терм 'Р, (см.
табл. 6). й 78. Рентгеновские спектры Оптические спектры возникают при переходах слабее всего связанного с ядром оптического электрона из возбужденного состояния в основное. Возбуждение атомов может происходить за счет соударений между атомамн, соударений атомов с электронами илн за счет поглощения фотонов. При поглощении атомом порции энергии, достаточной для вь1рывания (или возбуждения) одного из внутренних электронов, испускается х а р а к т е р и с т и ч ее к о е рентгеновское излучение.
Соответствующая порция энергии может быть сообщена атому за счет удара достаточно быстрым электроном нли поглощения рентгеновского фотона. 377 В то время как тормозное рентгеновское излучение не зависит от материала антикатода и определяется лишь энергией бомбардирующих антикатод электронов, характеристическое излучение определяется природой Вещества, из которого изготовлен антикатод. До тех пор пока энергия электрона недостаточна для возбуждения характеристического излучения, возникает только тормозное излучение.
При достаточной энергии бомбардирующих электронов на фоне сплошного тормозного спектра появляются резкие линии характеристического спектра, причем, интенсивность этих линий во много раз превосходит интенсивность фона. Рентгеновские спектры отличаются заметной простотой. Они состоят из нескольких серий, обозначаемых буквами К, 1., М, Ф и О. Каждая серия насчитывает небольшое число линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами: а, й, у,...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
