Электронное строение атомов элементов

Лекция 3

Волновые числа различных типов излучения

10^-2 10^-1 1 10 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸

V, см^-1

Радиочастотное

Микроволновое

Дальнее ИК

Ближнее ИК

Видимое

Ближнее УФ

Дальнее УФ

Рентгеновское

γ- лучи

ν= с/λ, - частота колебаний, где

С – скорость электромагнитного сгустка вещества

с = 2,9979 · 10⁸ м·с ^-1

Принято, что минимальную энергию имеет электрон, расположенный на ближайшей (первой) к ядру орбитали.

Энергетические уровни атома водорода

Серия Бальмера (1885 г., Швейцария)

Волновое число , где

R = 109678 cм^-1 - постоянная Ридберга;

n = 3, 4, 5

, λ -длина волны и характеризует частоту колебаний

Для других серий:

, n₁<n₂ –целые числа

Впервые представление о квантовании энергии было предложено Планком и позже Эйнштейном. Изучение Эйнштейном явления фотоэффекта (испускание электронов металлами под действием падающего на них света) позволило ему сделать вывод о том, что электромагнитная энергия (лучистая) существует в форме квантов, то есть представляет собой поток неделимых материальных частиц (фотонов), энергия которых определяется уравнением Планка:

E = h·ν, где (1)

E - в эргах;

ν - частота излучения в герцах;

h - коэффициент пропорциональности (постоянная Планка) равный 6,6256 х 10^-27 (эрг.сек).

Но так как фотон распространяется в виде волны, то (2)

λ -длина волны электромагнитного колебания с частотой ν;

с - скорость распространения волны (света).

Кульминацией развития идеи квантования до появления волновой механики была теория атома Бора, основанная на следующих положениях (постулатах):

1) электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по некоторым определенным орбитам (стационарные орбиты);

2) двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает электромагнитной энергии;

3) излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и исходном состояниях.

Исходя из вышеизложенных положений, Бор разработал теорию строения атома водорода, используя уравнения классической механики и электростатики. Им и его последователями (Зоммерфельд) рассчитаны размеры орбиталей и энергии электронов в атомов различных элементов.

L- орбитальное квантовое число -

показывает, сколько узловых поверхностей проходят через ядро и :

1) определяет форму электронного облака

2) во многоэлектронных атомах определяет энергию электрона в подуровне

Значения l называют энергетическими подуровнями электрона

Задачи

1. Какова длина волны протона с энергией 1 Мэв?

2. Определите длину волны α-частицы массой 6,64∙10^-27 кг, перемещающейся со скоростью 1∙10⁴ м\с. Сравните диапазон рентгеновского излучения 5∙10^-3нм с полученным результатом.

3. Выделяется или поглощается энергия при переходе электрона атома водорода с третьего энергетического уровня (n=3) на первый (n=1)?

1. Газообразный водород возбуждается так, что его атомы переходят в состояние с N=5. Сколько линий может появиться в спектре испускания этого газа ?
2. Укажите число атомных орбиталей на : а) s- подуровне, б) р-подуровне, в) d –подуровне, г) f-подуровне и определите максимальное число электронов на каждом из подуровней.
3. Каково максимальное число ориентаций d -орбиталей в пространстве? Различаются ли энергии d -орбиталей?
4. Возможно ли нахождение электрона в атоме водорода в возбужденном состоянии на f -подуровне? Если «да», то при каком значении n?
5. Какова погрешность определения координаты протона ∆х, движущегося со скоростью 2·10⁴ м\с, если погрешность в определении его скорости составляет 2%, а масса протона 1,67 ·10^-27 кг. Сравните полученный результат с размерами радиусов атомов.

Лекция 3

Электронное строение атомов элементов

Но хотя нет у Вселенной конца, но ведь даже

мельчайшие вещи из бесконечных частей

состоять одинаково будут.

Анаксогор, V век до н.э.

Практически основные объяснения многих химических явлений базируются на представлениях о структуре атомов.

Представления о строении вещества, в том числе строении атома, развивались постепенно, создавались и опровергались теории, все они сверялись с экспериментальными данными.

Резерфорд в 1911 г. показал, что в положительно заряженном ядре в очень малом объеме сосредоточена почти вся масса атома. По современным данным радиус ядра составляет ~ 10^-12 см. Одновременно известно, что радиусы атомов примерно равны 10^-8 см, т.е. порядка одного ангстрема. Таким образом, атом состоит из группы электронов, распределенных в шаре диаметром в несколько ангстрем и плотного положительно заряженного ядра, расположенного в центре шара. Ядро не оказывает значительного влияния на химическое поведение атома (за исключением изотопных эффектов легких атомов) и поэтому химические свойства атомов и молекул практически зависят от строения электронных оболочек. Поэтому еще раз целесообразно начать рассмотрение неорганической химии с краткого повтора некоторых основных фактов и принципов, касающихся электронной структуры атомов.

Итак, благодаря работам Резерфорда, Планка, Бора, сложилось представление об атоме, как системе, состоящей из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов, причем каждый из них в стационарном (обычном) состоянии атома, занимает определенную орбиту. Под энергетическим воздействием атомы (электроны) приходят в возбужденное состояние, когда электроны со стационарных орбит переходят на орбиты с более высокой энергией. Возвращаясь в исходное состояние, атомы излучают энергию определенными порциями, которые принято называть квантами.

Это явление было зафиксировано при получении спектров различных атомов.

*Спектр – (от латинского spectrum – представление) – совокупность различных значений, которые может принимать данная физическая величина. В спектроскопических методах под электромагнитным спектром понимают функцию распределения фотонов по энергиям.

Для изучения строения атомов применяют спектральные методы.

Схема проведения эмиссионного спектрального анализа представлена на рисунке 1.

Атомы

Регистрация

Рис.1

Различают три вида спектров:

1. Линейчатые от излучения, испускаемого атомами;

2. Полосатые от излучения, испускаемого молекулами;

3. Непрерывные от излучения, испускаемого сложными веществами.

Атом каждого элемента или молекула индивидуального вещества имеют свой характерный спектр

Э Н Е Р Г И Я

n – квантовое число

6

5

4

3

2

серия Бальмера видимая область спектра

дальнее УФ

1

Серия Лаймана

Рис.2. Энергетические переходы в атоме водорода