Wyklad 10 Fiz At Mol 2011

ATOMY WIELOELEKTRONOWE,
UKŁAD OKRESOWY,
METALE ALKALICZNE
1
Atomy wieloelektronowe
przybliżenie pola centralnego
zakaz Pauliego
zdjęcie degeneracji orbitalnej (ekranowanie)
Model atomu wieloelektronowego:
„inne” elektrony częściowo ekranują
jądro modyfikując efektywny
potencjał „widziany” przez
rozważany elektron
elektrony „wewnętrzne” i
„zewnętrzne”
Różnice dla elektronów s, p, d itd.
2
Efektywny potencjał „widziany”
przez jeden z elektronów atomu
wieloelektronowego
Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf
Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
3
UKŁAD poziomów w atomie
wieloelektronowym
(diagram Grotriana)
Zapełnianie powłok, zakaz
Pauliego, kolejność
(zasada aufbau):
1s,
2s, 2p,
3s, 3p, 3d,
4s, 4p, 4d, 4f,
5s, 5p, 5d, 5f, …
6s, 6p, 6d, …
7s, …
Reguła
MadelungaKleczkowskiego
kolejność
wypełniania.
powłok (n+ℓ).
wyjątki:
Cr, Cu
Brak
degeneracji,
różnice dla
elektronów s, p,
d, f
Zasada aufbau:
hipotetyczny proces „budowania atomu” „od dołu”
4
Układ okresowy pierwiastków
periodyczność własności chemicznych,
metale przejściowe, ziemie rzadkie
nieregularności w energiach jonizacji
5
Układ okresowy pierwiastków
6
!
Feynman, t. III
!
7
Copyright © California Institute of Technology, 1963
!
!
!
Copyright © California Institute of Technology, 1963
Feynman, t. III8
Kierunkowość wiązań chemicznych:
H2O (105°), H2S (93°), H2Se (90°): niepełne px, py,
NH3, PH3, AsH3 (niepełne px, py, pz)
diament, krystaliczny krzem (hybrydyzacja, sp3)
9
Atomy metali alkalicznych
Li
Na
K
[He]2s
Z  3, n  2
Z  11, n  3
1s22s22p63s
[Ne]3s
1s22s22p63s23p64s Z  19, n  4 [Ar]4s
1s22s
Rb
1s22s22p63s23p64s23d104p65s
Z  37, n  5 [Kr]5s
Cs
1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s
Z  55, n  6 [Xe]6s
Jeden elektron walencyjny, jak w atomie wodoru.
Inny potencjał, Z protonów i ekranowanie
10
Model atomu metalu alkalicznego
Jądro o ładunku +Ze jest
otoczone elektronami z
wewnętrznych powłok o
łącznym ładunku
–(Z-1)e skupionym w obszarze
o promieniu R. Pojedynczy
zewnętrzny elektron walencyjny
porusza się głównie w obszarze,
w którym r > R
Duże podobieństwo do wodoru;
atomy wodoropodobne
11
Radialny rozkład gęstości
elektronowej w atomie
wodoru i jednododatnich
jonach Li, Na i K
widoczne powłoki
całkowicie obsadzone
elektronami:
K: n = 1
L: n = 2
M: n = 3
Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and
Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf
Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo
Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
12
Diagram Grotriana atomu Li
stan podstawowy 2s,
wodoropodobne termy
wzbudzone;
zbieżność do wodoru
dla większych n i
większych ℓ
Ekranowanie
Dozwolone przejścia:
Δℓ = ±1
13
Diagram Grotriana
atomu Li
Dozwolone
przejścia:
Δℓ = ±1
Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and
Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf
Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo
Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
14
Serie widmowe dla atomu Na
Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf
Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
15
Diagram Grotriana
atomu Na
Dozwolone
przejścia:
Δℓ = ±1
Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and
Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf
Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo
Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
16
Diagram Grotriana
atomu K
Dozwolone
przejścia:
Δℓ = ±1
Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and
Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf
Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo
Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
17
Pełny diagram
Grotriana atomu K
Dozwolone
przejścia:
Δℓ = ±1
obszar widzialny,
podczerwień,
ultrafiolet, obszar
rtg
Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and
Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf
Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo
Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
18
Emisyjne serie widmowe dla atomów metali
alkalicznych
Termy energetyczne dla obojętnego atomu metalu
alkalicznego
En ,


1
1

  Rhc 2   E R 
2
ne f
 n   n,   
 n,    n  ne f
efektywna liczba kwantowa nef i
defekt kwantowy Δ(n,ℓ)
Uwzględniając regułę wyboru Δℓ = ±1 otrzymamy
następujące serie dozwolonych przejść:
19
Seria główna (principal) np. 3p-3s dla sodu (linia D):


1
1
Ep  Rhc 

,
2
2
n   n,1 
 n 0   n 0 ,0
n  n0 ,
Seria ostra (sharp), inaczej II poboczna, s-p:


1
1
Es  Rhc 

,

2 n   n,0 2




n


n
,
1
 0

0
n  n0  1,
Seria rozmyta (diffuse), inaczej I poboczna, d-p:


1
1
Ed  Rhc 

,

 n0   n0 ,12 n   n,2 2 
n  n0 ,
20
Seria podstawowa (fundamental) f-d:


1
1
Ef  Rhc 

,

 n0   n0 ,2 2 n   n,3 2 
n  n0  1,
n0 to główna liczba kwantowa najniższego stanu dla
elektronu walencyjnego:
2 dla litu, 3 dla sodu, 4 dla potasu,
5 dla rubidu i 6 dla cezu
Linie absorpcyjne dla serii innych niż główna
występują tylko w wysokich temperaturach, zatem
tylko linie serii głównej w normalnych warunkach są
liniami rezonansowymi.
21