II.3 Atom helu i zakaz Pauliego. Atomy wieloelektronowe. Układ okresowy

Podobne dokumenty
III.1 Atom helu i zakaz Pauliego. Atomy wieloelektronowe. Układ okresowy

Liczby kwantowe elektronu w atomie wodoru

ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

II.6 Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Atomy wieloelektronowe

CHEMIA 1. INSTYTUT MEDICUS Kurs przygotowawczy na studia medyczne kierunek lekarski, stomatologia, farmacja, analityka medyczna ATOM.

Stany atomu wieloelektronowego o określonej energii. być przypisywane elektrony w tym stanie atomu.

Widmo sodu, serie. p główna s- ostra d rozmyta f -podstawowa

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wykład Atom o wielu elektronach Laser Rezonans magnetyczny

Wykład FIZYKA II. 13. Fizyka atomowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

26 Okresowy układ pierwiastków

I. Budowa atomu i model atomu wg. Bohra. 1. Atom - najmniejsza część pierwiastka zachowująca jego właściwości. Jądro atomowe - protony i neutrony

Informacje ogólne. 45 min. test na podstawie wykładu Zaliczenie ćwiczeń na podstawie prezentacji Punkty: test: 60 %, prezentacja: 40 %.

Podsumowanie wykładu ze Wstępu do Fizyki IV

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

II.1 Serie widmowe wodoru

Spektroskopia magnetyczna

Wykład Budowa atomu 3

Elektronowa struktura atomu

Konwersatorium 1. Zagadnienia na konwersatorium

II.4 Kwantowy moment pędu i kwantowy moment magnetyczny w modelu wektorowym

Atom wodoru i jony wodoropodobne

Oddziaływanie atomu z kwantowym polem E-M: C.D.

Podstawy fizyki wykład 3

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

b) Pierwiastek E tworzy tlenek o wzorze EO 2 i wodorek typu EH 4, a elektrony w jego atomie rozmieszczone są na dwóch powłokach elektronowych

Układy wieloelektronowe

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Atomy mają moment pędu

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład X

Wykład 16: Atomy wieloelektronowe

struktura atomowa 9 grudnia 2016 struktura atomowa

Stara i nowa teoria kwantowa

Fizyka atomowa r. akad. 2012/2013

Pomiar widm emisyjnych He, Na, Hg, Cd oraz Zn

Energetyka Jądrowa. Wykład 28 lutego Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Atom wodoropodobny. Biegunowy układ współrzędnych. współrzędne w układzie. kartezjańskim. współrzędne w układzie. (x,y,z) biegunowym.

Chemia Ogólna wykład 1

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład X

Konfiguracja elektronowa atomu

Stany skupienia materii

Zad: 1 Spośród poniższych jonów wybierz te, które mają identyczną konfigurację elektronową:

CHEMIA LEKCJA 1. Budowa atomu, Izotopy Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Model atomu Bohra

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym i elektrycznym

II.5 Sprzężenie spin-orbita - oddziaływanie orbitalnych i spinowych momentów magnetycznych

Temat 1: Budowa atomu zadania

Spin jądra atomowego. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

Anna Grych Test z budowy atomu i wiązań chemicznych

Struktura elektronowa

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Spektrometr optyczny

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Wykład Atomy wieloelektronowe, układ okresowy pierwiastków.

Spis treści. 1. Wstęp Masa i rozmiary atomu Izotopy Przedmowa do wydania szóstego... 13

Wykład 27. Elementy współczesnej fizyki atomów i cząsteczek.

Elementy chemii obliczeniowej i bioinformatyki Zagadnienia na egzamin

Teoria Orbitali Molekularnych. tworzenie wiązań chemicznych

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Własności magnetyczne materii

Atomy wieloelektronowe i cząsteczki

Oddziaływania w magnetykach

Kulka krąży wokół jądra po orbicie, o ustalonych parametrach, które mogą się zmieniać tylko skokowo, kiedy elektron przeskakuje na inną orbitę.

Zasady obsadzania poziomów

BUDOWA ATOMU cd. MECHANIKA KWANTOWA

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Budowa atomu, układ okresowy i promieniotwórczość

0900 FS2 2 FAC. Fizyka atomu i cząsteczki FT 8. WYDZIAŁ FIZYKI UwB KOD USOS: Karta przedmiotu. Przedmiot moduł ECTS. kierunek studiów: FIZYKA 2 st.

CHEMIA WARTA POZNANIA

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Elektronowa struktura atomu

Elektryczne własności ciał stałych

Nowa Tablica Układu Okresowego Pierwiastków Chemicznych

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Własności jąder w stanie podstawowym

Liczby kwantowe n, l, m l = 0 l =1 l = 2 l = 3

Wartość n Symbol literowy K L M N O P

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

Graficzna reprezentacja orbitali atomowych s, p i d. Graficzny obraz schematu EA w obliczeniach energii termów atomowych dla atomu sodu.

FIZYKA ATOMOWA. Ar Kr Xe Hg 5 K Liczba atomowa, Z

obrotów. Funkcje falowe cząstki ze spinem - spinory. Wykład II.3 29 Pierwsza konwencja Condona-Shortley a

Wyznaczanie temperatury gazu z wykorzystaniem widm emisyjnych molekuł dwuatomowych

Wykład 27 Wersja robocza. Elementy współczesnej fizyki atomów i cząsteczek.

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) dr Marcin Lipowczan

RJC. Wiązania Chemiczne & Slides 1 to 39

Budowa atomu. Izotopy

Atomowa budowa materii

S r Spin wewnętrzny moment pędu (kręt) cząstki kwantowej. m s magnetyczna spinowa liczba kwantowa. Spin to kręt wewnętrzny (kwantowy)

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Rozpad alfa. albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa

Podstawy chemii obliczeniowej

Transkrypt:

II.3 Atom helu i zakaz Pauliego. Atomy wieloelektronowe. Układ okresowy 1. Atom helu: struktura poziomów, reguły wyboru, 2. Zakaz Pauliego, 3. Moment pędu w atomach wieloelektronowych: sprzężenie LS i jj, 4. Układ okresowy: powłoki, widma rentgenowskie, konfiguracje elektronowe gazów szlachetnych, reguły Hunda. Jan Królikowski Fizyka IVA 1

Atom helu Atom helu jest najprostszym atomem wieloelektronowym. Stan podstawowy: oba elektrony na poziomie o n=1: 1s 2, Pierwszy stan wzbudzony: jeden elektron na n=1, drugi na n=2: 1s,2s lub 1s2p,... itd. dla następnych stanów wzbudzonych. Jan Królikowski Fizyka IVA 2

Ustalony doświadczalnie układ poziomów helu Układ poziomów helu składa się z dwóch rodzin: poziomów singletowych i trypletowych. Przejścia optyczne zachodzą tylko między stanami sigletowymi lub trypletowymi; nie występują przejścia mieszane. Parahel: stany singletowe, spiny elektronów ustawione antyrównolegle dają S=0: 1 1 S, 2 1 S, 2 1 P,... Brak struktury subtelnej bo S=0. Ortohel: stany trypletowe, spiny elektronów ustawione równolegle dają S=1: 2 3 S, 2 3 P 0,1,2,... Brak stanu 1 3 S! Widoczne rozszczepienie subtelne dla stanów o J=0. Jan Królikowski Fizyka IVA 3

Ustalony doświadczalnie układ poziomów helu parahel ortohel Przejścia w UV Brak przejść singlet- tryplet z S 0 1 3 S? Przejścia widzialne i IR Rozszczepienie subtelne Jan Królikowski Fizyka IVA 4

Ustalony doświadczalnie układ poziomów helu Dygresja: dwa najniższe stany wzbudzone: singletowy 2 1 S i trypletowy 2 3 S są metastabilne. Ich czas życia jest znacznie dłuższy niż typowe czasy życia stanów wzbudzonych: 10-8 s. Znajduje to zastosowanie w laserach. Jan Królikowski Fizyka IVA 5

Zakaz Pauliego Brak stanu ortohelu 1 3 S (1s 2 ze spinami elektronów ustawionymi równolegle) doprowadziły Wolfganga Pauliego (1925) do sformułowania zasady noszącej jego nazwisko: Stany elektronowe w atomie mogą być obsadzane wyłącznie w taki sposób, że żadne dwa elektrony nie mają takich samych liczb kwantowych n, l, m, m s, j, m J. Zasada Pauliego jest bardziej ogólna: obowiązuje dla dowolnych układów identycznych fermionów (cząstek o spinie połówkowym). Jan Królikowski Fizyka IVA 6

Moment pędu w układach wieloelektronowych. Sprzężenie LS i jj Jeżeli oddziaływania (s i l i ) są słabsze niż wzajemne oddziaływanie spinów i/lub momentów orbitalnych to: Orbitalne momenty pędu l i dodają się wektorowo do całkowitego orbitalnego momentu pędu L, spiny s i dodają się wektorowo do całkowitego spinu S, wektory L i S dodają się do całkowitego momentu pędu J. Taką sytuację nazywamy sprzężeniem LS (sprzężeniem Russella-Saundersa). Dominuje ona w lekkich atomach. W przypadku sprzężenia LS nie występują przejścia pomiędzy stanami o różnej multipletowości (2S+1) tzw. przejścia interkombinacyjne. Jan Królikowski Fizyka IVA 7

Moment pędu w układach wieloelektronowych. Sprzężenie LS i jj cd. Przeciwna sytuacja czyli tzw. sprzężenie jj występuje w (bardzo) ciężkich atomach. Ponieważ sprzężenie spin-orbita dla pojedynczego elektronu szybko wzrasta z liczbą atomową Z, dla odpowiednio ciężkich atomów oddziaływanie spinorbita przeważy nad sprzężeniami s i s j lub l i l j. W tym przypadku: j = l + s J i i i = Â j i i=1,...n elektron ó w Orbitalny moment pędu L i całkowity spin S nie są zdefiniowane. Jan Królikowski Fizyka IVA 8

Moment pędu w układach wieloelektronowych. Sprzężenie LS i jj cd. Czyste sprzężenie jj występuje tylko w bardzo ciężkich atomach. Często mamy do czynienia z przypadkiem pośrednim, tzw. sprzężeniem mieszanym. W takich atomach występuje mieszanie stanów o różnych multipletowościach i przejścia interkombinacyjne nie są ściśle wzbronione. Jan Królikowski Fizyka IVA 9

Układ okresowy i struktura powłokowa Układ okresowy pierwiastków to ich uszeregowanie w rodziny wykazujące powinowactwo chemiczne tj. podobieństwo tworzenia wiązań chemicznych. Wyjaśnienie i potwierdzenie poprawności uporządkowania w ramach układu okresowego wynika: Od strony doświadczalnej- z badania reakcji chemicznych, systematyki widm rentgenowskich i doświadczenia Franka- Hertza (wzbudzenia zderzeniowe), Od strony teoretycznej- z budowy elektronowej atomów tj. systematyki liczb kwantowych n, L, m L,,S, m S uzupełnionych zakazem Pauliego. Jan Królikowski Fizyka IVA 10

Poziomy elektronów wewnętrznych widma rentgenowskie Jan Królikowski Fizyka IVA 11

Poziomy elektronów wewnętrznych widma rentgenowskie cd. Jan Królikowski Fizyka IVA 12

Dla K: s~1 Wykres Moseley a (1913) ν R = ( Z - s) 2 n 1 2 ν R = Z - n s Dla L: s~7.4 Jan Królikowski Fizyka IVA 13

Poziomy elektronów wewnętrznych widma rentgenowskie cd. Krawędzie absorpcji promieniowania X Jan Królikowski Fizyka IVA 14

Dygresja: zjawisko Augera Bezpromienisty powrót do stanu podstawowego np.: Jonizacja z powłoki K, Elektron z powłoki L spada na K, Energia zostaje przekazana drugiemu elektronowi L, który ucieka z atomu. Elektron Augera ma energię: E = hν - E = E -E - E = E -2E kin K L K L L K L α Zjawisko Augera dominuje dla lekkich Atomów (Z<30) Jan Królikowski Fizyka IVA 15

Układ okresowy Jan Królikowski Fizyka IVA 16

Liczba elektronów na powłoce o określonym n n - Â 1 2 2 1 2 2 = 0 N n = + = n elektronow ( ) ( ) n L Liczba elektronów Powłoka 1 S 2*1=2 K 2 S, P 2*(1+3)=8 L 3 S, P, D 2*(1+3+5)=18 M 4 S, P, D, F 2*(1+3+5+7)=32 N... Jan Królikowski Fizyka IVA 17

Zapełniona powłoka elektronowa- konfiguracja gazów szlachetnych Gazy szlachetne- hel, neon, argon, krypton, ksenon, radon mają konfiguracje elektronowe z zapełnionymi powłokami elektronowymi. Takie konfiguracje elektronów są szczególnie stabilne: energie wiązania (jonizacji) elektronów są większe od energii wiązań sąsiadów, co sprawia, że gazy szlachetne nie tworzą związków chemicznych (doświadczenie Franka-Hertza), stany podstawowe gazów szlachetnych to 1 S 0, skąd wynika kompensowanie się spinowych i orbitalnych momentów pędu zamkniętych powłok elektronowych do zera. Jan Królikowski Fizyka IVA 18

Konfiguracja elektronowa najwyższych zapełnionych powłok (podpowłok) gazów szlachetnych Z pier wias tek Najwyższy zapełniony stan Pierwszy potencjał jonizacji [ev] 2 He 1s 2 24.58 10 Ne 2s 2 2p 6 21.56 18 Ar 3s 2 3p 6 15.76 36 Kr 4s 2 3d 10 4p 6 14.00 54 Xe 5s 2 4d 10 5p 6 12.13 86 Rn 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 10.75 Jan Królikowski Fizyka IVA 19

Struktura powłokowa i porządek poziomów dla ostatniego dodanego elektronu Szczególnie duża przerwa pomiędzy poziomem ns i poziomem (n-1)p Oddziaływanie spin-orbita Dla potasu K bardziej korzystne jest wejście elektronu na powłokę 4s zamiast na 3d. Bardziej dokładnie np. Hacken&Wolf, Tabela 19.3a Jan Królikowski Fizyka IVA 20

Kolejność wypełniania podpowłok: reguły Hunda W przypadku sprzężenia LS momenty pędów atomów i kolejność stanów w stanie podstawowym są określane przez reguły Hunda: 1. Zapełnione powłoki nie wnoszą wkładu do L i S. 2. W stanie podstawowym elektrony o tej samej wartości l są rozmieszczane tak, żeby wypadkowy spin S był maksymalny. Stany o wyższej multipletowości mają więc niższe energie. 3. Po osiągnięciu maksymalnej wartości S elektrony są rozmieszczane pomiędzy stany o m l w taki sposób, żeby zmaksymalizować m L =Σm l Dla danej 2S+1, stany o niższej energii mają większe L. 4. Po uwzględnieniu energii LS najniższe energie mają: Termy o najmniejszych wartościach J dla podpowłok zapełnionych mniej niż w połowie, Termy o największych wartościach J dla podpowłok zapełnionych więcej niż w połowie ( zmienia się znak pola magnetycznego działającego na elektron). Jan Królikowski Fizyka IVA 21

Przykłady zastosowań reguł Hunda i zakazu Pauliego Azot: konfiguracja 1s 2 2s 2 2p 3 3 elektrony walencyjne: S=1/2 (dublet) lub S=3/2 (kwartet). Możliwe wartości L dla 3 elektronów walencyjnych: 2 2 P 1/2, 2 2 D 3/2 i 2 4 S 3/2. Zgodnie z regułą Hunda najniższą energie ma kwartet 2 4 S. Węgiel: 1s 2 2s 2 2p 2 dwa elektrony na zewnętrznej podpowłoce, czyli termy singletowe bądź trypletowe: stany 2 1 S i 2 1 D oraz 2 3 P. Stan 2 3 P ma najniższą energię, po uwzględnieniu J najniżej leży 2 3 P 0 potem 2 3 P 2 i wreszcie 2 3 P 2. Tlen: 1s 2 2s 2 2p 4 Podobnie jak dla węgla, tylko, że teraz najniższą energię ma stan 2 3 P 2. Jan Królikowski Fizyka IVA 22