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 равноn. Количество электронов на подоболочке определяется магнитным квантовым числоми 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.

При возрастании Zна единицу, на единицу увеличивается заряд ядра, а к электронной оболочке атома добавляется один электрон. Вновь получившаяся конфигурация должна обладать наименьшей из всех возможных энергией.

Казалось бы, что оболочки должны заполняться последовательно друг за другом, а внутренние оболочки целиком заполнены. Однако это не согласуется с принципом наименьшей энергии. Электрон обладает моментом импульса . Энергия связи зависит не только от его потенциальной энергии в электрическом поле ядра и окружающих его электронов оболочки, но и от кинетической энергии вращения. Эта центробежная сила как бы стремиться отдалить электрон от ядра. Поэтому каждый из 10 электронов 3dоболочки обладает меньшей энергией связи, чем каждый из двух электронов 4sоболочки. Именно поэтому заполняется сначала 4s, а затем 3dоболочка, хотя главное квантовое число во втором случае меньше, чем в первом. Особенно велика «центробежная энергия» в случаеdиf– оболочек, т.к.l(l+1)=6 дляdоболочки иl(l+1)=12 дляf-оболочки.

Внутри dоболочки заполнение происходит следующим образом:

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

23/ 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, испуская квант рентгеновского излучения. Поэтому сплошной спектр называют тормозным. Его спектральная интенсивность 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 скоростиv. Отсюда граничная длина волны:. Таким образом, коротковолновая граница не зависит от материала анода, а зависит только от напряжения на трубке. Характеристический спектр состоит из нескольких серий, обозначаемых буквамиK,L,M,N,O. Каждая серия насчитывает небольшое число линий, обозначаемых в порядке возрастания частотыСпектры различных элементов имеют сходный характер. При увеличении атомного номера весь рентгеновский спектр лишь смещается в коротковолновую часть, не меняя своей структуры. 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 слояхL,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 номеромZиспускающего 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 изZпостоянную экранирования. Экранирование для К-терма будет слабее, чем дляL– терма, потому что электрон, находящийся вL-оболочке, экранируют два электронаK– оболочки и остальные электроныL– 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:.