35. Сутегі атомының энергетикалық спектрі. Шығару және жұтылу спектрі.

Ең қарапайым спектр сутегі атомының спектрі. Спектрдің көрінетін бөлігінде сутектің тек төрт сызығы бар,олар сызықтары.

Осы сызықтардың толқын ұзындықтарын бір формуламен өте дәл өрнектеуге болады. Оны ең алғаш Швейцариялық ғалым И.Бальмер тағайындаған:

(1)

Мұндағы В=364,6нм, ал бүтін мәндерін қабылдайды. Швед ғалымы И.Ридберг формуланы басқа түрде жазуды ұсынды:

(2) n=3,4,5…..

Мұндағы спектрлік сызықтың толқындық саны c,толқын ұзындығы, R-Ридберг тұрақтысы.

Бальмер формуласын қамтитын сутегі атомының спектрлік сызықтарының тобы Бальмер сериясы д.а.

(2) формуланы қамтитын сутегі атомының спектрлік сызықтар тобы Бальмер сериясы д.а. осы формулаға қарағанда n-нің мәні ұлғайған сайын көршілес сызықтардың толқын ұзындық айырмасы кеми береді,спектрлік сызықтар арасы жақындай тұседі.

Сутегі атомы спектрінде Бальмер сериясына жататын сызықтардан басқа сызықтар да бар. Олар бірнеше серия құрайды.

Спектрдің ультракүлгін бөлігіндегі бір топ сызықтар Лайман сериясы д.а.:n=2,3,4….

Сутегі спектрінің жақын инфрақызыл бөлігінде Пашен сериясы деп аталатын бір топ сызық бар:

n=4,5,6…..

Бұдан басқа спектрдің алыс инфрақызыл бөлігінде үш серия бар. Олар: Брэкет сериясы, Пфунд сериясы, Хэмфри сериясы. Сонымен сутегі атомының барлық спектрлік сызықтарын былай анықтаймыз:

Сутегі атомының энергетикалық спектрі мына формуламен анықталады:

Мұндағы энергетикалық тұрақты;1,2,3,….мәндерін қабылдайтын n саны бас кванттық сан деп аталады. Ол сутегі атомының энергия деңгейлерін қабылдайды. Энергияның теріс таңбалары болуы атомдағы электронның байланысқан күйде тұрғандығын көрсетеді.

Сутегі атомындағы электрон энергиясының ең аз мәніне n=1 саны сәйкес келеді. Суретте n=1 болатын күй негізгі,немесе қалыпты күй,қалған күйлер қозған күйлер д.а. Атом бір стационарлық күйден басқасына ауысқан жағдайда энергиясы тиісті стационарлық күйлер энергиясының айырымына тең:шығарылады немесе жұтылады.болған жағдайда фотон шығарылады.болғанда фотон жұтылады. Мұмкін болатын кванттық ауысуларға сәйкес келетін дискреттікжиіліктер жиыны атомның сызықтық спектрін анықтайды.

=0=0

0

=0

=0

=0

=0

Лайман сериясы

Бальмер сериясы

Пашен сер.

n=1

n=2

n=3

n=4

n=5

n=6

38.Спин-орбиталық әсерлесу. Сутегі атомы энергия деңгейлері мен спектрлік сызықтарының нәзік түзілісіЭлектронның ядроны айнала қозғалысынан электронның орбиталық импыльс моменті және онымен байланысқан орбиталық магниттік моменті пайда болатындығы белгілі. Екінші жағынан электрон спиндік моментке және онымен байланысқанспиндік магниттік моментке ие.2 және моменттері арасында магниттік әсерлесу пайда болады және олжәневекторларының өзара бағдарлануына тәуелді. Осы әсерлесу спин-орбиталық әсерлесу деп аталады.

Электрон тыныштықта болатын, ал ядроэлектронды айнала дөңгелек орбита бойымен қозғалатын координаттар жүйесіне көшейік. 1-сурет

магниттік моменті бар бөлшекті магнит өрісіне орналастырғанда, ол ∆E=-() қосымша энергия қабылдайды. ∆Е энергияны магниттік моментке ие және магнит өрісінде тұрған электрон үшін есептейік:

Е_n энергия деңгейлерiнiң орналасу заңдылығы сутегi атомында ең қарапайым.

Сутегi атомының термi (Т(m)=R/m² және Т(n)=R/n²) формуласымен өрнектеледi. Демек, энергия мәндерiнiң дискреттi жиыны, яғни сутегi атомының энергетикалық спектрi мына формуламен анықталады:

мұндағы A=hcR энергетикалық тұрақты; 1, 2, 3,... мәндерiн қабылдайтын n саны бас кванттық сан деп аталады. Ол сутегi атомының энергия деңгейлерiн анықтайды. Энергияның терiс таңбалы болуы атомдағы электронның байланысқан күйде тұрғандығын көрсететiндiгi жайында айтылған болатын.

Сутегi атомындағы электрон энергиясының ең аз мәнiне (байланыс энергиясының ең үлкен шамасына) n=1 саны сәйкес келедi. n болғанда энергия Е_n0 болады. Бұл электронның шексiздiктегi тыныштық күйiне сәйкес келедi. n саны өскенде көршi энергия деңгейлерiнiң ара қашықтығы кемидi және нөлге асимптотикалық ұмтылатын болады. Бұл n кванттық санының мәндерi үлкен болған жағдайда энергияның үздіксiз дерлiк өзгеретiндiгiн, ал n кiшi болған жағдайда энергия мәндерi секiрмелi түрде өзгеретiндiгiн көрсетедi.

(3.10) формула сутегi атомының энергия деңгейлерiн анықтайды. Осы формула бойынша 3.2-суретте сутегi атомының энергия деңгейлерiнiң диаграммасы тұрғызылған. n=1 болатын күй негiзгi, немесе қалыпты күй. Қалған күйлер (болатын жағдайлар) атомныңқозған күйлерi. шамасы атомға оның электронынE_=0 күйге ауыстыру үшін, яғни электронның атомнан жұлынып шығарылуы үшін қажеттi ең аз энергия. Бұл атомның ионданғандығын көрсетедi.

Егер атом қозған E2 күйде тұрған болса, онда ол негiзгi күйге энергиясы hv=E2-E1 фотон шығарып барып ауысады. Осы сәуленiң толқындық саны Лайман сериясының бас сызығына сәйкес келедi. Басқа қозған энергия деңгейлерiнен негiзгi деңгейге ауысқанда Лайман сериясының барлық сызықтары пайда болады. Сутегi атомы энергиялары Е3, Е4, Е5,... қоздырылған күйлерден E2 қоздырылған деңгейге ауысулар жасағанда Бальмер сериясы пайда болады. Сутегi атомының басқа сериялары да осыған ұқсас пайда болады.

Спектрдiң ультракүлгін бөлiгiндегi бiр топ сызықтар Лайман (1906) сериясы деп аталады:

n=2,3,4,...

Сонымен, сутегi атомының барлық спектрлiк сызықтарын мынадай жалпы формуламен өрнектеуге болады:

39. Сілтілік металдар атомдарының энергия деңгейлері.кванттық ақау.Сілтілік металдар-Lі, Nа, К, Rb, Сs, Fr атомдарының бір сыртқы электроны бар, ол калыпты күйде s-электрон болып табылады. Бұлардың спектрлері - әдеттегі бір электрондық спектрлер.

Сутегі атомы жэне сутегі тәрізді иондарда ядро жалғыз электронға тікелей әсер ететін болса, сілтілік металл атомдарында сырткы электронға ядро ғана емес, оны тасалайтын ішкі электрондық қабықтар да әсер етеді.

Lі-ден басқа топтың барлық элементтері үшін (n — 1 )p⁶ -қабық соңғы толған қабық болып табылады; осы қабық үшін бас кванттық сан сыртқы электронның бас кванттық санынан бірге кем болады: Nа үшін 2р⁶ (сыртқы электроны 3s), К үшін Зр⁶ (сыргқы электроны 4s) және т.т. Lі-дің ішкі қабығы 1s² және 2s -электронға қатысты ішкі болатын р-электрондары жоқ.

Сыртқы электрон салыстырмалы әлсіз байланысқандықтан, сілтілік металл атомы сфералық симметрияға ие атомдык қалдықтардан (инертті газ атомының конфигурациясы) және атомдық қалдықтан салыстырмалы үлкен қашықтықта болатын сыртқы (валенттік) электроннан тұрады деген модельді қабылдауға болады (1 - сурет). Атомдық қалдықтың заряды бейтарап атом үшін +1е-ге тең, ал иондар үшін +Z_ае, мұндағы +Z_а=2 бір мәрте ионданғанда және т.т.

Атомның осы моделі үшін Шредингер теңдеуін шешіп, атомның стационарлық күйінің энергиясы өрнегін алуға болады.

Осы теңдеуді шешкенде валенттік электронның өзінен басқа электрондарды теуіп ядроны тартуынан пайда болатын атомдық қалдықтың поляризациясын ескеру қажет. Сондықтан Шредингер іеңдеуіне қойылатын U(r) потенциалдық энергия екі мүшенің косындысынан тұрады: бұлардың біріншісі нүктелік зарядтың өрісін, ал екіншісі бұған қабаттасатын диполь өрісін бейнелейді:

Сутегі атомы үшін Шредингер теңдеуін шешкендегі схемаға ұқсас схема бойынша шешу мына нәтижені береді:

мұндағы c₁ - атомдық калдықтың дипольдық моментінің мәнін сипаттайтын тұрақты; ∆_l -кванттық ақау. ∆_l–ның l-ден тәуелді

болуы себепті п -дері бірдей және l-дері әртүрлі деңгейлер жіктеледі.

Сілтілік металл атомдарының l-дері әртүрлі, бірақ п -дері бірдей деңгейлері бір-бірінен салыстырмалы алыс орналасады (Н атомында деңгейлер бойынша азғындалған). Қоздыру энергиясы өскен сайын сілтілік металл атомдарының деңгейлері бұларға сәйкес Н атомы деңгейлеріне жақындайтындығы байқалады. Сондықтан белгілі энергиядан бастап сілтілік металл атомдары күйлерінің «сутегі тәрізділігі» жайында айтуға болады. Мысалы, Nа атомында 3d,4d,... күйлер немесе барлық сілтілік металл атомдарында f-күйлер сутегі тәрізді болып табылады (2-сурет).

Сілтілік металдар атомдарының спектрінде төрт серия белгілі (3-сурет):

Бас серия

Диффузиялық серия

Айқын серия

Іргелі серия

Оң жақтағы бірінші мүшелер - тұрақты термдер (сериялардың шектері), ал екінші мүшелер - айнымалы термдер. Осы сериялар сызықтарының нәзік түзілісін қарастырайық.

Спектрдің ең интенсивті сызығы бас серияның n²s-n²p резонанстық сызығы болып табылады. Ол n²s_1/2-n²p_1/2 және n²s_1/2-n²p_3/2 екі нәзік жіктелу сызықтарынан тұрады. Мәселен, натрийда осы сызық сары дублеттен тұрады: D₁ (λ=589,6нм) және D₂ (λ=589,0 нм).

Дублеттік терм деңгейлерінің арақашықтықтары -ке сәйкес n өскенде кішірeйеді, сондықтан бас серия сызыктары тарыла түсетін дублеттер түрінде болады. Айқын серия сызықтары осыған ұксас дублеттік сипатта болады. Бірақ әрбір дублет сызыктарының арақашыкгыктары бірдей болады, өйткені әрбір сызық бір²р дублеттік жіктелумен анықталады(4-сурет).

Диффузиялық және іргелі сериялардың сызықтары үш кұраушыға жіктеледі, өйткені j кванттық саны бойынша сұрыптау ережелері осы жағдайда ауысулардың тек үш комбинациясын рұқсат етеді: n₁²p_1/2-n²D_3/2, n₁²p_3/2-n²D_3/2, n₁²p_3/2-n²D_5/2 және n₁²D_3/2-n²F_5/2, n₁²D_5/2-n²F_5/2, n₁²D_5/2-n²F_7/2.

41.Сілтілік элемент атомы энергетикалық деңгейлерінің және спектрлік сызықтарының нәзік түзілісі. Ажыратқыштық қабілеті аса жоғары құралдар арқылы сілтілік металл атомдарының спектрлік сызықтарын зерттегенде бұлардың нәзік түзілісі – дублетінің әрбір құраушысы бірнеше сызыққа жіктеліп,күрделі мультиплет түрінде көрінеді.Сонда натрийдің сары дублетінің λ₁=589,0 нм сызығы 6 құраушыға,ал λ₂=589,6 нм сызығы 4 құраушыға жіктелетіндігі анықталды. Қазіргі кезде атомдық сызықтардың аса нәзік түзілісі көпшілік жағдайда ядроның механикалық моменті (спині) және онымен байланысқан магниттік моменттің болуына байланыстыекендігі тағайындалған.Ядролық μ_I магниттік момент пен L_I механикалық момент былай байланысқан μ_I=g_I1/2(e-M_N)L_I g_I-ядроның спиндік факторы, M_N – ядро массасы

μ_n=ħ/2*e/m_p шамасы ядролық магнетон д.а. μ_n шамасы μ_Б магнетонынан 1836 есе кіші.Сондықтан аса нәзік түзіліс электрон спинімен байланысты мультиплеттік нәзік түзілістен шамамен 10³ есе кіші.

Аса нәзік түзіліс құраушыларының санын атомдық спектрдің нәзік түзілісіндегі сияқты табуға,яғни ядролық спин ескерілген атомның векторлық моделі көмегімен анықтауға болады.Осы жағдайды атом күйін атомның толық моментін L_F=L_J+L_I анықтайтын F толық кванттық санымен сипаттайды.

Аса нәзік түзіліске жіктелу мына формуламен анықталады:δω_F+1,F= δE_F+1- δE_F/ ħ=A/ ħ*( F+1)

Аса нәзік түзіліс құраушыларының арақашықтықтары аралықтар ережесін қанағаттандырады: δω₁: δω₂: δω₃: ... ( F+1): ( F+2): ( F+3): ...Мұның өзі аса нәзік түзіліс табиғатының дұрыс түсірілгендігін көрсетеді және спектрдің аса нәзік түзілісі бойынша тікелей ядролық спиндерді анықтауға мүмкіндік береді.

43. Элементтердің периодтық жүйесін физикалық түсіндірілуіМенделеев кестесінің 1-ші және 2-ші периодтарының аумағында деңгейлердің толтырылу тәртібі сутегі атомындағы деңгейлердің үлгісімен сәйкес келеді. n=1 қабатта тек s-қабық толтырылады; n=2 қабаттың алдымен s-, онан кейін p-қабығы толтырылады.

Егер күрделі атомдар үшін де осы идеал желі қолдануға жарайтын болса, онда калийда 3d-қабық толтырыла басталар еді.

Бірақ калийдің 3d және 4d күйлеріндегі электрондардың энергиялары мынаған тең

Е_3d==, Е_4d==.

Осыдан Е_3d> Е_4d екендігі келіп шығады, сондықтан тереңірек орналасқан 4s деңгейі алдымен, одан кейін барып 3d деңгейі толтырылады. Демек үшінші период, екінші период сияқты, тек 8 элементтен тұрады және атомдардың 3s және 4р-қабықтары болады.

Кальцийдегі (z=20) 4s-қабық толтырылғаннан кейін, скандийде (z=21) 4р-қабықтың құрылуы басталады деп күтуге болады. Бірақ спектрлерді зерттеу кейінгі элементтерде алдымен 3d-қабық толтырылады, онан кейін барып ₂₉Cu мыстан бастап ₃₀Zn мырыштан аяқталатын, қабықтардың қалыпты толтырылуы жалғасады. Сонымен 4-период 18 элементтен тұрады және атомдардың 4s, 3d, 4p-қабықтары болады.

Келесі, бесінші период, 4-период сияқты, 18 элементтен тұрады, 5s, 4d, 5p-қабықтары толтырылады

Алтыншы период 32 элементтен тұрады, өйткені сыртқы 6s, 6p-қабықтармен қоса, бірінші ішкі 5d-қабық және екінші ішкі 4f-қабық толтырылады. Дәл осылай жетінші период та бүтіндей алтыншы периодты қайталауға , яғни 32 элемент (7s, 5f, 7p-қабықтары) болуға тиіс еді.

Сонымен, Бірінші период барлығы екі элементтен, екінші және үшінші периодтар 8 элементтен, төртінші және бесінші периодтар 18 элементтен, ал алтыншы және жетінші периодтар 32 элементтен тұрады.

Периодтық жүйенің әр периоды сілтілік металдан басталады; оның электрондық конфигурациясында тек жалғыз сыртқы s-электрон болады. Бірақ элементтер ішінен сілтілік металдар атомдарының иондану потенциалы ең төмен. Сондықтан бұл атомдар сыртқы s-электрондарын басқа элемент атомдарына оңай бере алады. Сілтілік металдардың жоғарғы химиялық активтлігі осыдан.

Әрбір период He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn инертті газдар атомымен аяқталады. Осы атомдардың сыртқы s-p- қабығы 8 электроннан тұрады, сондықтан инертті газдар атомдарының иондану потенциялы ең жоғары. Керісінше, периодтық жүйенің көршілес жетінші тобындағы элементтері-фтор, хлор, бром, иод – химиялық өте активті. Мұның себебі бұлардың s-p-қабығы жеті электроннан тұрады; сондықтан ол тұйықталған қабық болуға жетіспейтін сегізінші электронды қосып алу арқылы оңай толтырылуы мүмкін.

Ерекше назар аударатын цезийден бастап лютейцийға дейінгі 14 элемент лантанидтер немесе сирек жер элементтері деп аталады.

Лантанидтерге ұқсас актинидер деп аталатын 14 элементтерден тұрады.