22. Атомы щелочных металлов. Спектры атомов щелочных металлов. Серии в спектрах щелочных металлов и их происхождение. Закон Мозли.

Щелочные металлы в периодической системе Менделеева следуют за благородными газами и имеют на

один электрон больше, чем соответствующие благородные газы. Щелочные металлы одновалентны и их сравнительно легко ионизировать. Поэтому структура электронной оболочки

щелочного металла весьма характерна. Если атом щелочного металла имеет всего Z электронов, то можно утверждать, что Z - 1 электронов атома образуют структуру атома благородного атома, а последний электрон связан с этими электронами и ядром весьма слабо. Таким образом, первые Z - 1 электронов и ядро образуют остов с зарядом +е, в эффективном поле которого движется электрон, называемый валентным.

Таким образом, щелочные атомы являются водородоподобными атомами, однако не полностью. Дело в

том, что внешний электрон несколько деформирует оболочку первых Z - 1 электронов и несколько искажает их поле.

Наибольшее число атомов в соответствии с распределением Больцмана находится в наинизшем энергетическом состоянии. У атома лития оптический электрон при этом занимает 2 s-состояние . Его ближайшее возбужденное состояние есть 2 p-состояние, в котором по распределению Больцмана находится большинство возбужденных атомов. Поэтому следует ожидать, что линия излучения при

переходах из 2 s-состояния в 2 p-состояние является наиболее интенсивной. Кроме того, интенсивность

линии излучения зависит от вероятности соответствующего перехода. Обычно линия излучения при переходе между первым возбужденным состоянием атома и основным является самой интенсивной. Поэтому она называется резонансной линией.

Поскольку при переходах главное квантовое число n может изменяться на любое значение, допустимы переходы в состояние 2 s из любых р-состояний. Получающаяся в результате этих переходов серия линий называется главной. Ее частоты условно обозначены в виде ω = 2s – mp (m = 2,3,4,...),

В спектре атома лития имеются кроме главной и другие серии. Важнейшие из них следующие. Первая побочная (или диффузная) серия. Частоты этой серии ω = 2p-md (m = 3, 4, 5,...). Серия называется диффузной потому, что ее линии несколько размыты, не очень резки.

Вторая побочная (или резкая) серия. Частоты этой серии ω = 2p-ms (m = 3, 4, 5,...).

Следующая серия, получающаяся в результате переходов электрона из f-состояний в 3 d-состояние, лежит в инфракрасной части спектра.

Закон Мозли (Иродов стр. 160).

Мозли экспериментально установил закон, согласно которому частота - линий зависит от атомного номера Z элемента как ,

Где R – постоянная Ридберга, - постоянная практически равная единице для легких элементов. Этот закон сыграл в свое время важную роль при уточнении расположения элементов в периодической системе.

Закон Мозли достаточно точно выполняется для легких элементов. Для тяжелых же поправка значительно отличается.

23. Гипотеза Уленбека и Гаудсмита. Спин электрона.

Уленбек и Гоудсмит в 1925 г. в работе, имеющей огромное значение, предложили считать, что электрон обладает не только электрическим зарядом, но также и магнитным и механическим моментами. Очень легко дать классическую модель такого магнитного вращающегося электрона: достаточно его себе представить в виде небольшого шарика, заполненного отрицательным электричеством и вращающегося вокруг одного из своих диаметров. Уленбек и Гоудсмит уточнили свою гипотезу, предположив, что отношение собственного магнитного момента электрона к его собственному моменту количества движения вдвое больше нормального классического значения. На мысль об этом их навели результаты гиромагнитных экспериментов. Кроме того, ее можно оправдать с помощью классической модели вращающейся электрической сферы, однако такое подтверждение из-за трудностей, возникающих в этой классической модели, с квантовой точки зрения нельзя считать очень убедительным. Тем не менее, как мы увидим, гипотеза Уленбека и Гоудсмита замечательно подтвердилась своими следствиями: элемент, отсутствующий во всех предыдущих теориях, был найден!

Какова же количественная сторона этой новой гипотезы? В квантовой теории атомные электроны в своих квантованных состояниях обладают орбитальным механическим моментом, величина которого всегда кратна постоянной Планка h, деленной на 2π, – это результат квантования. Они также обладают орбитальным магнитным моментом, величина которого кратна фундаментальной величине, носящей название магнетона Бора, играющей роль настоящего атома магнетизма и значение которой во всех современных общих теориях магнитных явлений весьма велико. Знаменитый эксперимент Штерна и Герлаха, позволивший измерить магнитный момент атома, совершенно определенно подтвердил реальное существование магнетона Бора. Частное от деления магнетона Бора на квантовую единицу момента количества движения h/2π θмеет постоянное значение, о котором мы уже неоднократно говорили, Уленбек и Гоудсмит приписали электрону собственный момент количества движения, равный половине квантовой единицы h/2π. аким образом, отношение указанных двух моментов оказалось как раз равным удвоенной классической величине. Для описания собственного вращения электрона и соответствующего момента количества движения они ввели английское слово «спин», которое вскоре стало общепринятым.

К тому времени, когда эти два голландских физика выдвинули свою замечательную идею о введении спина электрона, новая механика находилась на заре своего развития. Поэтому вполне понятно, что эта новая гипотеза сначала могла развиваться только в рамках старой квантовой теории. Сначала Уленбек и Гоудсмит, а затем и другие физики, среди которых мы смогли бы назвать Томаса и Френкеля, обратились к теории тонкой структуры и эффекта Зеемана, введя в нее новые свойства, только что приписанные электрону. Результаты оказались вполне удовлетворительными и ясно показали, что мы находимся на правильном пути. Некоторые трудности, правда, еще оставались. Но было очевидно, что они являются результатом использования методов старой квантовой механики и должны исчезнуть, как только спин электрона будет введен в волновую механику. Это введение происходило не без некоторых трудностей, но в конце концов Дирак, вдохновленный важной работой Паули, добился успеха. Он ввел спин очень интересным путем, открывшим массу новых возможностей.

Электро́н — стабильная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Из электронов состоят электронные оболочки атомов всех веществ. Движение электронов определяет многие электрические явления, такие как электрический ток в металлах и вакууме.

Заряд электрона неделим и равен −1,602176487(40)×10−19 Кл (или −4,80320427(13)×10−10 ед. СГСЭ в системе СГС); он был впервые непосредственно измерен в экспериментах (англ.) А. Ф. Иоффе (1911) и Р. Милликена (1912). Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц (в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берётся с положительным знаком). Масса покоя электрона равна 9,10938215(45)×10−31 кг.[1]

Согласно современным представлениям физики элементарных частиц, электрон неделим и бесструктурен (как минимум до расстояний 10−17 см). Электрон участвует в слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц — его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен 1/2, и, таким образом, электрон относится к фермионам. Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальную (англ.). Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака). В этом случае отрицательно заряженный электрон называют негатроном, положительно заряженный — позитроном.

Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматривается как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отличаться от массы покоя электрона.