- •1.Тепловое излучение
- •1.1.Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы теплового излучения абсолютно чёрного тела
- •1.2.Фотоэффект
- •1.3. Масса и импульс фотона
- •1.4. Эффект Комптона
- •Теперь воспользуемся равенством . Вычтем (1.17) из (1.18). В результате после сокращений получим:
- •Или Отсюда
- •1.5.Тормозное рентгеновское излучение
- •1.6. Корпускулярно-волновой дуализм света
- •2.Двойственная корпускулярно-волновая природа частиц вещества
- •2.1. Гипотеза де Бройля
- •2.2Свойства волн де Бройля
- •3. Элементы квантовой механики
- •3.1.Волновая функция
- •3.2. Принцип неопределенности
- •3.3.Уравнение Шредингера
- •4. Атом Резерфорда - Бора
- •4.1.Ядерная модель атома
- •4.2.Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца
- •4.3.Боровская модель атома водорода
- •Согласно 2-му закону Ньютона (4.13)
- •Тогда постоянная Ридберга
- •6. Операторы физических частиц
- •6.1 Линейные операторы. Собственные функции и
- •6.3. Законы сохранения физических величин в
- •6.4.Четность, закон сохранения четности
- •5. Стационарные задачи квантовой механики
- •5.1.Частица в потенциальном ящике с бесконечно высокими стенками
- •5.2.Движение частицы в потенциальном ящике конечной глубины
- •5.3.Прохождение частицы через потенциальный барьер
- •Лекция 9-10
- •8.2. Ширина спектральных линий
- •Средняя энергия подачи:
- •8.4.Полный механический момент многоэлектронного атома
- •8.5.Магнитный момент атома
- •8.6.Векторная модель атома
- •9. Механика системы микрочастиц
- •9.1.Волновая функция системы микрочастиц
- •Можно показать, что четность состояния системы частиц равна произведению четностей состояния отдельных частиц:
- •9.2. Тождественность частиц одного и того же вида и принцип Паули
- •Лекция 14
- •9.4.Многоэлектронные атомы
- •9.5.Эффекты Зеемана и Штарка
- •9.5.Рентгеновские спектры
- •10. Двухатомная молекула
- •10.1. Ионная и ковалентная связь. Молекула водорода. Обменный интеграл
- •10.1.Молекулярные спектры
- •Лекция 16
- •11.Генераторы когерентного света
- •На рис. 11.1 представлена диаграмма энергетических уровней, причем длина горизонтальной черты определяет населенность того или иного энергетического уровня.
- •11.2. Принцип действия лазеров
- •11.3.Схемы накачки
- •11.4.Классификация лазеров
9.5.Рентгеновские спектры
Различают два вида рентгеновского излучения - тормозное и характеристическое.
Тормозное излучение получается при не слишком больших энергиях бомбардирующих атом электронов. Это излучение обладает сплошным спектром и не зависит от материала антикатода. С увеличением энергии бомбардирующих электронов происходит вырывание электронов из внутренних оболочек атома, появляются резкие линии характеристического излучения. Частоты этих линий зависит от природы вещества антикатода.
Рентгеновские спектры состоят из нескольких серий: К, L, М, N и О. Каждая серия содержит несколько линий α, β, γ,... Спектры разных электронов имеют сходный характер.
Если вырывается один из электронов К-слоя, то освободившееся место может быть занято электроном из какого-либо внешнего слоя (L, М, N и т.д.). При этом возникает К-серия. Аналогично возникают и другие серии.
Физик Мозли установил, что частоты линий рентгеновского спектра связаны с атомным номером z испускающего их элемента:
Для линии Кα:
;
Для линии Кβ:
;
Для линии Lα:
,
и т.д.
В общем виде формула Мозли имеет вид:
,
или:
, (9.4)
где с и σ – константы, и выражает закон Мозли — корень квадратный из частоты является линейной функцией атомного номера z .
Этот закон в квантовой механике нашел следующее объяснение: линия с частотами определяемыми выражением (9.4), совпадают с линиями, испускаемыми при переходе электрона, находящегося в поле заряда (z – σ)е, с уровня п2 на уровень п1, причем электрон находится под воздействием ядра, ослабленного действием окружающих ядро остальных электронов. Это экранирующее действие внутренних электронов и учитывает поправка σ. Итак, рентгеновское характеристическое излучение описывается законом Мозли и возникает, когда у атома удален один внутренний электрон. В этом случае внешний электрон «спрыгивает вниз» и замещает внутренний электрон, испускается энергия в тысячи раз превышающая обычную.
ЛЕКЦИЯ 15
10. Двухатомная молекула
10.1. Ионная и ковалентная связь. Молекула водорода. Обменный интеграл
Ограничимся рассмотрением только двухатомных молекул. Различают два вида связи между атомами в молекулах. Один из них осуществляется в том случае, когда электроны в молекуле можно разделить на две группы, каждая из которых все время находится около одного из ядер. Электроны распределяются так, что около одного из ядер образуется избыток электронов, а около другого - их недостаток. Таким образом, молекула как бы состоит из двух ионов противоположного знака, притягивающихся друг к другу. Связь этого типа называется гетерополярной (или ионной). Примеры молекул с ионной связью: NaC1, КВr и т.д.
Второй вид связи наблюдается в тех молекулах, в которых часть электронов движется около обоих ядер. Такая связь называется гомеополярной (или ковалентной, или атомной). Она образуется парами электронов с противоположно направленными спинами. Среди молекул этого типа следует различать молекулы с одинаковыми ядрами (Н2, N2, O2) и молекулы с разными ядрами (СN). В молекулах первого рода электроны распределены симметрично. В молекулах второго рода имеется некоторая асимметрия в распределении электронов, благодаря чему молекулы приобретают электрический дипольный момент.
Простейшей молекулой с гомеополярной связью является молекула водорода. Вскоре после создания квантовой механики Гайтнер и Лондон (1927) предприняли успешную попытку квантово-механического расчета основного состояния молекулы Н2. Им удалось решить уравнение Шредингера для системы, состоящей из двух протонов (ядер атома водорода) и двух электронов (рис.10.1).
Потенциальная энергия такой системы равна:
.
Ядра имеют массу, примерно в две тысячи раз превышающую массу электрона. Поэтому они движутся гораздо медленнее электронов, и в первом приближении их можно считать неподвижными. В первом приближении уравнение Шредингера имеет вид:
. (10.1)
Здесь - оператор Лапласа, содержащий координаты одного электрона,- оператор Лапласа, содержащий координаты другого электрона.
Рассмотрим механизм образования молекулы водорода Н2 при взаимодействии двух его атомов. Атом водорода в изолированном состоянии на внешней оболочке имеет 1s1 электрон, ему не хватает одного электрона для того, чтобы полностью заполнить эту s - оболочку. При постепенном сближении двух атомов водорода возможно перекрытие электронных оболочек и переход электрона от первого атома ко второму, а от второго атома — к первому. Это перекрытие может происходить без перехода электронов на более высокие энергетические уровни, т.к. электронные оболочки не полностью заполнены, и принцип запрета Паули разрешает такое перекрытие.
Если энергия системы двух взаимодействующих атомов при перекрытии ниже, чем энергия системы, в которой атомы изолированы, то за счет перекрытия могут возникать силы притяжения, которые при дальнейшем сближении атомов сменяются быстро возрастающими силами отталкивания ядер. При некотором расстоянии между ядрами, соответствующем минимуму энергии системы, силы притяжения уравновесятся силами отталкивания, и образуется молекула Н2, электронная оболочка которой подобна электронной оболочке атома гелия (инертного газа). В такой молекуле атомов водорода нет - в ней содержатся только составные части этих атомов - два протона и два электрона. Электроны, которые входили в состав атомов, стали общими для обоих ядер — электроны коллективизируются обоими ядрами. Т.к. электроны совершенно одинаковы, то при их обмене местами состояние системы не меняется.
С точки зрения квантовой механики поведение валентных электронов в атомах описывается волновой функцией ψ(r), где r - расстояние от центра ядра до места нахождения электрона.
Рассмотрим два изолированных атома а и b. Поведение валентных электронов этих атомов описывается соответственно волновыми функциями ψa и ψb. Пусть в изолированном состоянии Еа — энергия атома a, Eb — энергия атома b, так что Еа + Eb - полная энергия системы двух атомов. При сближении атомов на расстояние порядка суммы атомных радиусов начнется значительное перекрытие волновых функций взаимодействующих атомов. Когда валентные электроны находятся в межъядерном пространстве, электрические поля, действующие со стороны атомов, примерно одинаковы, и возможно обобществление валентных электронов, которые теперь движутся в поле обоих атомов (ядер).
Поведение обобществленных электронов описывается молекулярной волновой функцией ψ, которая включает в себя свойства невозмущенных волновых функций ψa и ψb.
Молекула вещества в большинстве случаев состоит из нескольких электронов и нескольких атомных ядер, поэтому кинетическая энергия молекулы состоит из двух частей - одна часть соответствует кинетической энергии движения ядер, другая - кинетической энергии движения электронов. Потенциальная энергия системы равна ее общей электростатической энергии.
При исследовании движения системы состоящей более чем из двух частиц, решение уравнения Шредингера может быть только приближенным. Так как масса ядер существенно больше массы электронов, ядра в молекуле движутся значительно медленнее электронов. Поэтому движение ядер и электронов можно описывать отдельно.
При решении уравнения Шредингера считают координаты ядер фиксированными параметрами (т.е. движением ядер можно пренебречь). В этом случае молекулярная волновая функция является функцией только координат электронов.
В качестве молекулярной волновой функции ψ выберем волновую функцию, которая описывает движение одного электрона в общем поле двух атомов а и b. Такая волновая функция называется молекулярной орбиталью (МО). Для одномерной молекулы МО является линейной комбинацией атомных орбиталей изолированных атомов:
где ψa, ψb — невозмущенные атомные волновые функции; са, cb - постоянные коэффициенты, характеризующие долевое участие в молекулярной волновой функции каждой из атомных орбит. Из условия нормировки волновой функции
найдем: , где – интеграл перекрытия, характеризующий степень перекрытия атомных волновых функций при взаимодействии, обычно s < 1.
Для полной энергии системы получим выражение:
,
где , - энергии кулоновского электростатического взаимодействия электронов с ядрами, электронов между собой и ядер между собой; А - обменный интеграл, который представляет собой дополнительную энергию взаимодействия, возникающую в результате перераспределения электронной плотности при перекрытии атомных волновых функций:
,
, Ĥ — оператор Гамильтона; — функция , комплексно сопряженная с .
Решение уравнения Шредингера для симметричной двухатомной молекулы показало, что волновая функция принимает два значения:
симметричная , для которой полная энергия равна
,
антисимметричная , для которой .
Из этих результатов вытекают два важных вывода:
1. При сближении атомов и перекрытии их волновых функций происходит расщепление энергетического уровня Еa – Eb на два молекулярных уровня энергии Ecим и Eант.. При этом уровень Ecим. понижается (s < 1, А < 0), а уровень Eант повышается относительно исходного уровня энергии в изолированном состоянии Еa - Eb.
Понижение уровня Ecим. соответствует возникновению сил притяжения, и так как , то понижение уровня обусловлено в основном обменным интегралом А, поэтому такие силы и получили название обменных;
2. Понижение энергии Ecим. связано с повышением электронной плотности между ядрами взаимодействующих атомов из-за значительного перераспределения электронной плотности по сравнению с плотностями в изолированных атомах. В случае понижения энергии в пространстве между ядрами электронная плотность повышается по сравнению с электронной плотностью, которая могла бы получиться при простом сложении плотностей изолированных атомов.
Ввозбужденном состоянииEант электронная плотность в межъядерном пространстве значительно понижается, а в случае одинаковых атомов и вовсе становится равной нулю. Ядра оказываются менее экранированными электронами, и силы отталкивания между ними превышают силы притяжения. Молекулы не образуются (рис.10.2)
Итак, основной характерной особенностью ковалентных кристаллов является то, что количество ковалентных связей, образуемых каждым атомом со своими соседями, равно количеству неспаренных внешних электронов атома в свободном состоянии или в возбужденном валентном состоянии. В этом смысле ковалентная связь является насыщенной.
Атомы при взаимодействии могут возбуждать друг друга и производить распаривание электронов, т.е. переводить один из спаренных электронов в свободную ячейку на незанятый электрический уровень. Так, у элементов IV группы, имеющих 4 валентных электрона s2p2 (рис.10.3а), происходит переход в s1p3 состояние (Рис.10.3.б):
Врезультате взаимного возбуждения все четыре электрона снялись со своих орбит и находятся на смешанных (или гибридных) орбитах. Это явление называется гибридизациейs и р электронов.
Характерная черта ковалентной связи - ее сильная направленность в пространстве. Она образуется в тех направлениях, в которых локализуется электронная плотность. Вследствие направленности связи ковалентные кристаллы обладают высокой твердостью и хрупкостью.
Собственные значения энергии, полученные из уравнения Шредингера (10.1), зависят от расстояния между ядрамиR, причем в случаях параллельной и антипараллельной ориентации спинов электронов характер этой зависимости существенно различен.
Так как образование молекулы возможно лишь при сближении атомов с антипараллельными спинами, молекуле соответствует нижняя кривая на рис. 10.4.
Аналогично обстоит дело и в случае других двух атомных молекул. Энергия, обусловленная электронной конфигурацией (электронная энергия) имеет минимум при некотором значении R и изображается кривой такого же вида, что и для водородной молекулы.
Изменение электронной конфигурации молекулы приводит к изменению кривой зависимости электронной энергии от расстояния между ядрами R. Асимптотическое значение энергии также становится другим - равным новой суммарной энергии изолированных атомов в новом квантовом состоянии (кривая 2 на рис.10.5):
Восновном изменение энергетического запаса молекулы происходит,как и в атоме, в результате изменений в электронной конфигурации, образующий периферийную часть молекулы, однако при заданной электронной конфигурации ядра молекулы могут различным образом колебаться и вращаться относительно общего центра масс. С этими видами движения связаны запасы колебательной и вращательной энергии, которые должны быть учтены в общем балансе.
Введем обозначения:
Ес – энергия, обусловленная электронной конфигурацией (электронная энергия);
Еv – энергия, соответствующая колебаниям системы (колебательная или вибрационная энергия);
Еr – энергия, связанная с вращением молекулы (вращательная или ротационная энергия).
В первом приближении отдельные виды молекулярных движений - движение электронов, колебание и вращение молекулы — можно считать независимыми друг от друга. Поэтому полную энергию молекулы можно представить в виде:
Энергия гармонического осциллятора определяется выражением
(v = 0,1,2,...) (10.2)
где v — колебательное квантовое число, ωv — классическая частота осциллятора. Для колебательного квантового числа имеет место правило отбора: .
Кривая потенциальной энергии молекулы (рис.10.5) совпадает с параболой только при малых колебаниях. Ангармоничность, наступающая при увеличении интенсивности колебаний, приводит к тому, что с увеличением квантового числа уровни сгущаются, имея своим пределом энергию диссоциации молекулы (рис.10.6). Однако при небольших значениях можно с достаточной степенью точности считать, что колебательная энергия молекулы определяется формулой (10.2).
Вращательная энергия молекулы, имеющей момент инерции I и вращающейся с угловой скоростью ωr , равна:
где М= Iωr - момент импульса системы, (=0,1,2,...)
где — квантовое число момента импульса.
Следовательно, вращательная энергия молекулы может иметь только квантованные значения
где I – момент инерции молекулы относительно оси, проходящей через ее центр инерции,
– вращательное квантовое число. Правило отбора для вращательного квантового числа .
Расстояние между вращательными уровнями . значительно меньше расстояния между колебательными уровнями, которые в свою очередь значительно меньше, чем расстояние между электронными уровнями, тогда схема энергетических уровней двухатомной молекулы выглядит так, как показано на рис. 10.7.