Распределение электронов по энергетическим уровням атома. Периодическая система элементов Менделеева.

Электроны относятся к фермионам. Заполнение электронами оболочки происходит согласно принципу Паули. Он помогает объяснить периодическую систему элементов Менделеева. Главное квантовое число определяет оболочку атома (или слой). Если:

n = 1 - К –оболочка,

n = 2 - L –оболочка,

n = 3 - M –оболочка,

n = 4 - N–оболочка,

n = 5 - O –оболочка.

В каждой из оболочек электроны распределяются по подоболочкам, соответствующим данному орбитальному квантовому числу . Поскольку, то число подоболочек –n. Количество электронов на подоболочке определяется магнитным квантовым числом и магнитным спиновым числом.

Если n = 1 (К –оболочка)

, ,- общее число электронов на оболочке –. 

Если n = 2 (L –оболочка)

, ,- общее число электронов на подоболочке –.

, ,- общее число электронов на подоболочке –. 

Если n = 3 (N –оболочка)

, ,- общее число электронов на подоболочке –.

, ,- общее число электронов на подоболочке –. 18

, ,-общее число электронов на –.

Если n = 4 (M –оболочка)

, ,- общее число электронов на оболочке –.

, ,- общее число электронов на подоболочке –. 32

, ,-общее число электронов –.

, ,-общее число электронов – 14

Если n = 5 (O –оболочка)

, ,- общее число электронов на оболочке –.

, ,- общее число электронов на подоболочке –.

, ,-общее число электронов –. 50

, ,-общее число электронов – 14

, ,-общее число электронов –18

Всего 110 электронов. В периодической системе элементов Менделеева можно точно говорить о 103 электронов.

Оптический спектр – совокупность частот возможных переходов. Любому переходу соответствует своя спектральная линия. При каждом переходе должно выполняться правила отбора . Если переход осуществляется с более удаленной оболочки на менее удаленную, то получается спектр испускания, в противном случае – спектр поглощения.

Рентгеновские спектры.

Источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод, представляющий собой металлическую мишень из тяжелых металлов. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитное излучение с длиной волны . Волновые свойства рентгеновского излучения доказаны опытами по дифракции на кристаллических структурах.

Спектр рентгеновского излучения представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких волн некоторой границей , называемой границей сплошного спектра, и линейчатый спектр – совокупность отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра.

Опыты показали, что характер сплошного спектра не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардирующих анод электронов. Сплошной спектр возникает в результате торможения электронов, бомбардирующих анод. При взаимодействии электронов с атомами анода, электроны останавливаются, излучая квант рентгеновского излучения. Поэтому сплошной спектр называют тормозным. Его спектральная интенсивность при различных напряжениях на трубке показана на рисунке. В сторону длинных волн кривая интенсивности спадает полого, асимптотически приближаясь к нулю с увеличением длины волны. Со стороны коротких волн кривая резко обрывается. Чем больше энергия электронов, тем меньше , соответствующая границе сплошного спектра. Это объясняется квантовой теорией. Когда вся кинетическая энергия электрона переходит в энергию кванта рентгеновского излучения, выполняется условие:., гдеU – разность потенциалов, ускоряющая электрон до скорости v. Отсюда граничная длина волны: . Таким образом, коротковолновая граница не зависит от материала анода, а зависит только от напряжения на трубке.

Если увеличивать напряжение выше определенного предела, зависящего от материала анода, то на сплошной спектр накладываются узкие спектральные линии характеристического излучения. Но и в этом случае коротковолновая граница существует. Характеристический спектр состоит из нескольких серий, обозначаемых буквами K, L, M, N, O. Каждая серия насчитывает небольшое число линий, обозначаемых в порядке возрастания частоты Спектры различных элементов имеют сходный характер. При увеличении атомного номера весь рентгеновский спектр лишь смещается в коротковолновую часть, не меняя своей структуры. Каждая линия возникает в результате перехода атома с одного энергетического уровня на другой. Рентгеновское характеристическое излучение возникает при переходах электронов во внутренних частях атомов. Эти части имеют общее строение, поэтому характеристический спектр сходен для различных атомов. Для того чтобы такие переходы были возможны, на внутренней оболочке атома должны быть свободные места, не занятые электронами. Такие свободные места образуются при воздействии на атом быстрых электронов, фотонов высоких энергий или других быстрых частиц. Если вырывается один их двух электронов К-оболочки, то освободившееся место может быть занято электроном из какого-либо внешнего слоя (L, M, N..). При этом возникает К – серия. Аналогично возникают и другие серии. Серия К обязательно сопровождается другими сериями, т.к. при испускании ее линий освобождаются уровни в слоях L, M, N.., которые в свою очередь тоже будут заполняться электронами из более высоких слоев.

Английский физик Мозли установил в 1912 году закон, связывающий частоты линий рентгеновского спектра с атомным номером Z испускающего элемента: , так для линии:,

а для линии :. Смысл константызаключается в следующем: электроны, совершающие переходы при испускании рентгеновских лучей, находятся под воздействием ядра, притяжение которого несколько ослаблено действием остальных окружающих его электронов. Это экранирующее действие и приводит к необходимости вычесть изZ постоянную экранирования . Экранирование для К-терма будет слабее, чем дляL – терма, потому что электрон, находящийся в L-оболочке, экранируют два электрона K – оболочки и остальные электроны L – оболочки, в то время как для электрона К-оболочки экранирование осуществляется только одним вторым электроном К-оболочки. Более строго частоту следовало бы писать в виде: .