Mối liên hệ giữa các số lượng tử. Cấu trúc điện tử của nguyên tử. Số lượng tử điện tử
Nhiều điều trong cơ học lượng tử vẫn nằm ngoài tầm hiểu biết, nhiều điều có vẻ tuyệt vời. Điều tương tự cũng áp dụng cho các số lượng tử, bản chất của nó cho đến ngày nay vẫn còn là bí ẩn. Bài viết mô tả khái niệm, các loại và nguyên tắc chung làm việc với họ.
đặc điểm chung
Số lượng tử nguyên hoặc nửa nguyên đại lượng vật lý xác định tất cả các loại giá trị rời rạc đặc trưng cho các hệ lượng tử (phân tử, nguyên tử, hạt nhân) và các hạt cơ bản. Ứng dụng của chúng liên quan chặt chẽ đến sự tồn tại của hằng số Planck. Tính rời rạc của các quá trình xảy ra trong thế giới vi mô được phản ánh bởi các số lượng tử và ý nghĩa vật lý. Chúng lần đầu tiên được giới thiệu để mô tả các dạng phổ của nguyên tử. Nhưng ý nghĩa vật lý và tính rời rạc của từng đại lượng chỉ được bộc lộ trong cơ học lượng tử.
Tập hợp xác định đầy đủ trạng thái của hệ thống này được gọi là hoàn chỉnh. Tất cả các trạng thái chịu trách nhiệm về các giá trị có thể có từ biểu mẫu đã đặt như vậy hệ thống hoàn chỉnh Những trạng thái. Số lượng tử trong hóa học, bậc tự do của một electron được xác định theo ba tọa độ không gian và bậc tự do bên trong là spin.
Cấu hình electron trong nguyên tử
Một nguyên tử chứa một hạt nhân và các electron, giữa chúng tác dụng lực có tính chất tĩnh điện. Năng lượng sẽ tăng khi khoảng cách giữa hạt nhân và electron giảm. Người ta tin rằng nó sẽ bằng 0 nếu nó ở xa hạt nhân vô cùng. Trạng thái này được sử dụng làm điểm tham chiếu. Điều này xác định năng lượng tương đối của electron.
Lớp vỏ electron là một tập hợp thuộc một trong số chúng được biểu thị bằng số lượng tử chính n.
Số chính
Nó đề cập đến một mức năng lượng cụ thể với tập hợp các quỹ đạo có giá trị tương tự nhau, gồm n= 1, 2, 3, 4, 5... Khi một electron chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác, nó sẽ thay đổi. Cần tính đến rằng không phải mọi cấp độ đều chứa đầy electron. Khi lấp đầy lớp vỏ nguyên tử, nguyên lý năng lượng tối thiểu được thực hiện. Trạng thái của anh ta trong trường hợp này được gọi là không bị kích thích hoặc cơ bản.
Số quỹ đạo
Mỗi cấp độ có quỹ đạo. Những người có năng lượng tương tự tạo thành một cấp độ phụ. Phép gán này được thực hiện bằng cách sử dụng số lượng tử quỹ đạo (hoặc, còn được gọi là số lượng tử thứ cấp), l, lấy các giá trị nguyên từ 0 đến n - 1. Do đó, một electron có số lượng tử chính và quỹ đạo n và l có thể bằng nhau, bắt đầu bằng l = 0 và kết thúc bằng l = n - 1.
Điều này cho thấy bản chất chuyển động của cấp độ phụ và mức năng lượng tương ứng. Với l = 0 và bất kỳ giá trị nào của n, đám mây điện tử sẽ có dạng hình cầu. Bán kính của nó sẽ tỷ lệ thuận với n. Tại l = 1, đám mây điện tử sẽ có hình vô cực hoặc hình số tám. Giá trị của l càng lớn thì hình dạng càng phức tạp và năng lượng của electron sẽ càng tăng.
Số từ
Ml là hình chiếu của quỹ đạo (cạnh) theo hướng này hay hướng khác từ trường. Nó cho thấy hướng không gian của các quỹ đạo có cùng số l. Ml có thể có những nghĩa khác nhau 2l + 1, từ -l đến +l.
Một số lượng tử từ khác được gọi là spin - ms, là xung lượng góc nội tại. Để hiểu điều này, bạn có thể tưởng tượng electron quay quanh trục của chính nó. Ms có thể bằng -1/2, +1/2, 1.
Nói chung, với mọi electron giá trị tuyệt đối spin s = 1/2 và ms có nghĩa là hình chiếu của nó lên trục.
Nguyên lý Pauli: một nguyên tử không thể chứa hai electron có 4 số lượng tử giống nhau. Ít nhất một trong số đó phải xuất sắc.
Quy tắc soạn công thức nguyên tử.
- Nguyên lý năng lượng tối thiểu. Đầu tiên, nó lấp đầy các cấp độ và cấp độ phụ nằm gần lõi hơn, theo quy tắc của Klechkovsky.
- Vị trí của một nguyên tố cho biết cách các electron được phân bổ giữa các mức năng lượng và các mức phụ:
- số này trùng với điện tích của nguyên tử và số electron của nó;
- số tuần hoàn tương ứng với số mức năng lượng;
- số nhóm trùng với số lượng trong nguyên tử;
- nhóm con cho thấy sự phân bố của họ.
Hạt cơ bản và hạt nhân
Số lượng tử trong vật lý là của chúng đặc điểm bên trong, xác định các tương tác và mô hình biến đổi. Ngoài spin s, đây còn là điện tích Q, mà đối với mọi hạt cơ bản đều bằng 0 hoặc một số nguyên, âm hoặc dương; điện tích baryon B (trong hạt - 0 hoặc một, trong phản hạt - 0 hoặc trừ một); điện tích lepton, trong đó Le và Lm bằng 0, một, và trong phản hạt - 0 và trừ một; spin đồng vị với số nguyên hoặc nửa số nguyên; sự kỳ lạ S và những người khác. Tất cả những số lượng tử này áp dụng cho cả hai Các hạt cơ bản, và hạt nhân nguyên tử.
Theo nghĩa rộng, chúng được gọi là các đại lượng vật lý xác định chuyển động của một hạt hoặc một hệ và được bảo toàn. Tuy nhiên, không nhất thiết chúng phải thuộc về một phổ rời rạc của các giá trị có thể có.
Số lượng tử quỹ đạo tôi đặc trưng cho hình dạng của quỹ đạo và nhận các giá trị từ 0 đến N– 1. Trừ số tôi có ký hiệu chữ cái
Các electron có cùng giá trị tôi tạo thành một cấp độ phụ.
Số lượng tử tôi xác định sự lượng tử hóa xung lượng góc quỹ đạo của một electron trong trường Coulomb đối xứng hình cầu của hạt nhân.
Số lượng tử tôi gọi điện từ tính . Nó xác định vị trí không gian của quỹ đạo nguyên tử và lấy các giá trị nguyên từ – tôiđến + tôi qua 0, tức là 2 tôi+ 1 giá trị. Vị trí của quỹ đạo được đặc trưng bởi giá trị hình chiếu của vectơ động lượng góc quỹ đạo Mz tới bất kỳ trục tọa độ nào (thường là trục z):
|
Tất cả những điều trên có thể được thể hiện trong một bảng:
|
||||||||||||||||||
Bảng 2.1. Số lượng quỹ đạo ở các mức năng lượng phụ. |
Các quỹ đạo của cùng một cấp con ( tôi= const) có cùng năng lượng. Điều kiện này được gọi là suy thoái năng lượng. Vì thế P-quỹ đạo - ba lần, d- năm lần, và f– suy biến bảy lần.
Bề mặt ranh giới S-, P-, d-, f- quỹ đạo được thể hiện trong hình. 2.1.
S -Quỹ đạođối xứng hình cầu với bất kỳ N và chỉ khác nhau ở kích thước của hình cầu. Hình dạng đối xứng tối đa của chúng là do khi tôi= 0 và μ tôi = 0.
P -Quỹ đạo tồn tại khi N≥ 2 và tôi= 1, do đó có thể có ba lựa chọn về định hướng trong không gian: tôi= –1, 0, +1. Tất cả các quỹ đạo p đều có một mặt phẳng nút chia quỹ đạo thành hai vùng, do đó các bề mặt ranh giới có dạng hình quả tạ định hướng trong không gian một góc 90° so với nhau. Các trục đối xứng của chúng là các trục tọa độ, được ký hiệu p x, p y, p z.
d -Quỹ đạo xác định bằng số lượng tử tôi = 2 (N≥ 3), tại đó tôi= –2, –1, 0, +1, +2, nghĩa là chúng được đặc trưng bởi năm tùy chọn định hướng trong không gian. d-Các quỹ đạo được định hướng bởi các cánh dọc theo trục tọa độ được chỉ định dz² và dx ²– y², và các lưỡi dao định hướng dọc theo các đường phân giác của góc tọa độ - dxy, d yz, dxz.
bảy f-quỹ đạo, tương ứng tôi = 3 (N≥ 4), được mô tả dưới dạng các bề mặt biên như trong Hình 2. 2.1.
Số lượng tử N, tôi Và tôi không mô tả đầy đủ trạng thái của electron trong nguyên tử. Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng electron còn có một tính chất nữa - spin. Nói một cách đơn giản, spin có thể được biểu diễn dưới dạng chuyển động quay của một electron quanh trục của chính nó. Số lượng tử spin bệnh đa xơ cứng chỉ có hai ý nghĩa bệnh đa xơ cứng= ±1/2, biểu thị hai hình chiếu mômen động lượng của electron lên trục đã chọn. Các electron có dạng khác nhau bệnh đa xơ cứngđược biểu thị bằng các mũi tên hướng lên và xuống.
Trong các nguyên tử đa electron, như trong nguyên tử hydro, trạng thái của electron được xác định bởi giá trị của bốn số lượng tử giống nhau, nhưng trong trường hợp này, electron không chỉ nằm trong trường của hạt nhân mà còn trong trường của các electron khác. Do đó, năng lượng trong các nguyên tử đa electron được xác định không chỉ bởi năng lượng gốc mà còn bởi số lượng tử quỹ đạo, hay đúng hơn là tổng của chúng: năng lượng của các quỹ đạo nguyên tử tăng khi tổng tăng N + tôi; nếu số tiền bằng nhau thì cấp nhỏ hơn sẽ được điền trước N và lớn tôi. Năng lượng của các quỹ đạo nguyên tử tăng dần theo dãy
1S s p s p s ≈ 3 d ps ≈ 4 d ps ≈ 4 f ≈ 5d ps ≈ 5 f ≈ 6d P. |
Vì vậy, bốn số lượng tử mô tả trạng thái của một electron trong nguyên tử và đặc trưng cho năng lượng của electron, spin của nó, hình dạng của đám mây điện tử và sự định hướng của nó trong không gian. Khi một nguyên tử chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, sự tái cấu trúc của đám mây điện tử xảy ra, tức là giá trị của các số lượng tử thay đổi, kéo theo sự hấp thụ hoặc phát xạ lượng tử năng lượng của nguyên tử.
Giới thiệu
Số nguyên hoặc số phân số xác định giá trị có thể có của các đại lượng vật lý đặc trưng cho hệ lượng tử (hạt nhân nguyên tử, nguyên tử, phân tử, v.v.), dep. yếu tố. hạt, hạt giả thuyết quark và gluon.
Các số định lượng lần đầu tiên được đưa vào vật lý để mô tả các định luật được tìm thấy bằng thực nghiệm của at. quang phổ, nhưng ý nghĩa của các số lượng tử và tính rời rạc liên quan của một số đại lượng vật lý đặc trưng cho hoạt động của các vi hạt chỉ được tiết lộ bởi cơ học lượng tử. Theo cơ học lượng tử, các giá trị vật lý có thể có. số lượng được xác định bởi chính họ. các giá trị của các toán tử tương ứng - liên tục hoặc rời rạc; trong trường hợp sau, một số số lượng tử xuất hiện (Theo một nghĩa hơi khác, số lượng tử đôi khi được gọi là đại lượng được bảo toàn trong quá trình chuyển động, nhưng không nhất thiết thuộc về phổ rời rạc của các giá trị có thể có, chẳng hạn như động lượng. hoặc năng lượng của một hạt chuyển động tự do.)
từ trường bức xạ lượng tử
Số lượng tử
Điện động lực học lượng tử
Số lượng tử là các thông số năng lượng xác định trạng thái của electron và loại quỹ đạo nguyên tử mà nó nằm trong đó. Số lượng tử cần thiết để mô tả trạng thái của mỗi electron trong nguyên tử. Tổng cộng có 4 số lượng tử. Đó là: số lượng tử chính - n, số lượng tử quỹ đạo - l, số lượng tử từ - ml và số lượng tử spin - ms. Số lượng tử chính là n.
Số lượng tử chính - n - xác định mức năng lượng của electron, khoảng cách của mức năng lượng đó đến hạt nhân và kích thước của đám mây điện tử. Số lượng tử chính nhận bất kỳ giá trị nguyên nào, bắt đầu từ n=1 (n=1,2,3,...) và tương ứng với số chu kỳ.
Số lượng tử quỹ đạo - l. Số lượng tử quỹ đạo - l - xác định hình dạng hình học quỹ đạo nguyên tử. Số lượng tử quỹ đạo nhận bất kỳ giá trị nguyên nào, bắt đầu từ l=0 (l=0,1,2,3,…n-1). Bất kể số mức năng lượng là bao nhiêu, mỗi giá trị của số lượng tử quỹ đạo đều tương ứng với một quỹ đạo có hình dạng đặc biệt. Một “tập hợp” các quỹ đạo như vậy với những giá trị giống nhau Số lượng tử chính được gọi là mức năng lượng. Mỗi giá trị của số lượng tử quỹ đạo tương ứng với một quỹ đạo có hình dạng đặc biệt. Giá trị của số lượng tử quỹ đạo l=0 tương ứng với quỹ đạo s (loại 1 in). Giá trị của số lượng tử quỹ đạo l=1 tương ứng với quỹ đạo p (3 loại). Giá trị của số lượng tử quỹ đạo l=2 tương ứng với quỹ đạo d (5 loại). Giá trị của số lượng tử quỹ đạo l=3 tương ứng với quỹ đạo f (7 loại).
Bảng 1
quỹ đạo của f thậm chí còn có nhiều hơn hình dáng phức tạp. Mỗi loại quỹ đạo là thể tích không gian trong đó xác suất tìm thấy electron là tối đa.
Số lượng tử từ - ml.
Số lượng tử từ - ml - xác định hướng của quỹ đạo trong không gian so với từ trường hoặc điện trường bên ngoài. Số lượng tử từ nhận bất kỳ giá trị nguyên nào từ -l đến +l, kể cả 0. Điều này có nghĩa là với mỗi hình dạng quỹ đạo, có 2l+1 hướng tương đương về mặt năng lượng trong không gian quỹ đạo.
Đối với quỹ đạo s:
l=0, m=0 - một hướng tương đương trong không gian (một quỹ đạo).
Đối với quỹ đạo p:
l=1, m=-1,0,+1 - ba hướng tương đương trong không gian (ba quỹ đạo).
Đối với quỹ đạo d:
l=2, m=-2,-1,0,1,2 - năm hướng tương đương trong không gian (năm quỹ đạo).
Đối với quỹ đạo f:
l=3, m=-3,-2,-1,0,1,2,3 - bảy hướng tương đương trong không gian (bảy quỹ đạo).
Số lượng tử spin - ms.
Số lượng tử spin - ms - xác định mô men từ xảy ra khi một electron quay quanh trục của nó. Số lượng tử spin chỉ có thể nhận hai giá trị có thể có: +1/2 và -1/2. Chúng tương ứng với hai hướng có thể và ngược chiều nhau của mômen từ của chính electron - spin.
Điện động lực học lượng tử
(QED), lý thuyết lượng tử về tương tác giữa điện tử và từ trường và các hạt tích điện. QED thường được gọi là phần đó của lượng tử. lý thuyết trường, xem xét sự tương tác của trường điện tử-từ trường và trường điện tử-positron. Từ trường điện tử trong lý thuyết như vậy xuất hiện dưới dạng trường đo. Lượng tử của trường này là photon - một hạt có khối lượng nghỉ bằng 0 và spin 1, tương tác giữa hai nguyên tố là kết quả của sự trao đổi photon ảo giữa chúng. Hằng số không thứ nguyên đặc trưng cho cường độ tương tác là hằng số cấu trúc tinh tế a=e2/ћc»I/137 (chính xác hơn là a-1=137.035987(29)). Do giá trị a nhỏ nên phương pháp tính toán chính trong QED là lý thuyết nhiễu loạn, một phương pháp trực quan hình ảnh đồ họa mà sơ đồ Feynman đưa ra.
Tính đúng đắn của QED đã được xác nhận bằng một số lượng lớn các thí nghiệm trong toàn bộ phạm vi khoảng cách (năng lượng) có sẵn, bắt đầu từ vũ trụ - 1020 cm và cho đến bên trong hạt - 10-16 cm, QED mô tả các quá trình như. bức xạ nhiệt vật thể, hiệu ứng Compton, bremsstrahlung, v.v. Tuy nhiên, đặc trưng nhất của QED là các quá trình liên quan đến phân cực chân không.
Hiệu ứng đầu tiên được quan sát thấy của QED là sự dịch chuyển Lamb trong mức độ dị ứng. Cái gọi là được tính toán với độ chính xác kỷ lục. từ tính bất thường khoảnh khắc điện tử. Magn. mô men là đại lượng xác định sự tương tác của hạt đứng yên với ngoại lực tạp chí. cánh đồng. Từ lượng tử Lý thuyết về electron Dirac cho rằng electron phải có mô men từ bằng magneton Bohr: mB = eћ/2mc (trong đó m là khối lượng của electron). Trong QED, những hiệu chỉnh xuất hiện trong biểu thức năng lượng của tương tác như vậy được hiểu một cách tự nhiên là kết quả của sự xuất hiện các phép cộng “chân không” cho mô men từ. Những chất phụ gia này, lần đầu tiên được nghiên cứu về mặt lý thuyết nhà vật lý người Mỹ Yu. Schwinger, và gọi là mômen từ dị thường.
Giá trị tính toán mômen từ của electron m
lý thuyết=mB (1+a/2p- 0,328478(a/p)2+1,184175(a/p)3=1,00115965236(28)mB
rất phù hợp với giá trị thử nghiệm: meexp=1,00115965241(21)mB
Một hiệu ứng đặc trưng của QED là sự tán xạ ánh sáng. TRONG điện động lực học cổ điển hiệu ứng này không có: sóng điện từ được coi là không tương tác trong đó. Trong QED, hiệu ứng này có thể xảy ra do ảnh hưởng của các thăng giáng chân không electron-positron.
Ở trạng thái ban đầu có hai photon (đường lượn sóng); một trong số chúng biến mất ở điểm 1, tạo ra cặp electron-positron ảo (đường liền nét); photon thứ hai tại điểm 2 bị hấp thụ bởi một trong các hạt của cặp này (trong sơ đồ trên là positron). Sau đó các photon cuối cùng xuất hiện: một photon được sinh ra ở điểm 4 bởi một electron ảo, photon còn lại phát sinh do sự hủy diệt cặp đôi ảo electron-positron tại điểm 3. Nhờ các cặp electron-positron ảo xuất hiện sự tương tác giữa các photon, tức là nguyên lý chồng chất sóng điện từ bị vi phạm. Điều này sẽ thể hiện ở các quá trình như sự tán xạ ánh sáng bởi ánh sáng. Một quá trình tán xạ photon có xác suất cao hơn một chút bởi trường tĩnh điện bên ngoài của hạt nhân nặng, tức là bởi các photon ảo (tán xạ Delbrück), đã được quan sát bằng thực nghiệm. Những hiệu chỉnh “cao hơn” (bức xạ), được tính toán bằng phương pháp nhiễu loạn, cũng xuất hiện trong các quá trình tán xạ của các hạt tích điện và trong một số hiện tượng khác.
Một loại hiệu ứng “chân không” khác được lý thuyết dự đoán là sự ra đời của các hạt-phản hạt trong trường điện từ và trường hấp dẫn rất mạnh (cả tĩnh và biến thiên). Đặc biệt, vấn đề sau được thảo luận liên quan đến các vấn đề vũ trụ liên quan đến các giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa của Vũ trụ (sự ra đời của các cặp trong trường hấp dẫn của lỗ đen).
Quá trình này là một ví dụ về sự đan xen chặt chẽ về mặt vật lý của lepton và hadron. Tầm quan trọng của việc phân tích loại quá trình này đặc biệt tăng lên sau sự ra đời của các thí nghiệm về sự va chạm của chùm electron-positron.
(QFT), lượng tử tương đối tính. lý thuyết vật lý hệ có vô số bậc tự do. Một ví dụ về hệ thống như vậy là trường điện từ, vì mô tả đầy đủ mà tại bất kỳ thời điểm nào đòi hỏi phải thiết lập cường độ điện trường và từ trường tại mỗi điểm của dây chuyền sản xuất, tức là thiết lập vô số đại lượng. Ngược lại, vị trí của một hạt tại mỗi thời điểm được xác định bằng cách xác định ba tọa độ của nó.
Cho đến nay, chúng ta đã xét các hạt tự do không tương tác, số lượng của chúng không thay đổi; vì dễ dàng biểu diễn bằng quan hệ (6), nên toán tử của số lượng hạt N^(n)=a+na-n giao hoán với toán tử năng lượng?^=S?(p)N^(p), do đó số lượng hạt phải không đổi, tức là không có quá trình xuất hiện của các hạt bổ sung, sự biến mất và chuyển đổi lẫn nhau của chúng không có. Việc tính đến các quá trình này đòi hỏi phải bao gồm cả sự tương tác của các hạt.
Tương tác trong CTP.
Trong điện động lực học cổ điển, sự tương tác giữa các hạt tích điện xảy ra thông qua một trường: một điện tích tạo ra một trường tác dụng lên các điện tích khác. Trong lý thuyết lượng tử, sự tương tác trường điện từ và một hạt tích điện trông giống như sự phát xạ và hấp thụ các phần của photon, và sự tương tác giữa các hạt tích điện là kết quả của sự trao đổi photon của chúng: mỗi electron phát ra các photon (lượng tử của trường điện từ mang tương tác), sau đó bị các electron khác hấp thụ. Một bức tranh tương tự về sự tương tác xuất hiện do tài sản đặc biệtđiện động lực học, v.v. N. đo tính đối xứng. Một cơ chế tương tác tương tự ngày càng được xác nhận đối với các ngành khoa học vật lý khác. lĩnh vực. Tuy nhiên, một hạt tự do không thể phát ra hoặc hấp thụ lượng tử. Ví dụ, trong một hệ thống có hạt đứng yên, bức xạ lượng tử đòi hỏi sự tiêu hao năng lượng và sự giảm khối lượng của hạt (do sự tương đương giữa năng lượng và khối lượng), điều này là không thể. Để giải quyết nghịch lý này, chúng ta phải tính đến việc các hạt được đề cập là lượng tử. các vật thể mà mối quan hệ D?Dt?ћ là không chắc chắn đáng kể, cho phép thay đổi năng lượng hạt một lượng bằng giá trị D? và do đó, phát xạ hoặc hấp thụ lượng tử bằng 0, với điều kiện là những lượng tử này tồn tại trong khoảng thời gian Dt?ћ/D?. (Dựa trên lý luận tương tự và thực tế về lực hạt nhân tầm ngắn, nhà vật lý người Nhật H. Yukawa đã dự đoán sự tồn tại của một hạt - chất mang ảnh hưởng hạt nhân có khối lượng xấp xỉ 200-300 khối lượng electron, hạt này sau đó được phát hiện bằng thực nghiệm và gọi là meson p.) máy phát và khuếch đại sóng điện từ dựa trên hiện tượng bức xạ cưỡng bức (cảm ứng). Nguyên lý hoạt động của máy phát lượng tử vi sóng gọi là maser (viết tắt của từ tiếng anh Khuếch đại vi sóng bằng phát xạ kích thích, có nghĩa là “khuếch đại vi sóng do bức xạ kích thích”), được đề xuất vào năm 1954 bởi Charles Townes. (Nguyên tắc tương tự làm nền tảng cho các bộ khuếch đại lượng tử quang học và máy phát laser.) Vì tần số bức xạ ở đầu ra của máy phát lượng tử được xác định bởi các mức năng lượng rời rạc, cố định chặt chẽ của các nguyên tử hoặc phân tử của môi trường hoạt động được sử dụng trong máy phát đó, nên nó có giá trị được xác định chính xác và không đổi.
Phát xạ tự phát và kích thích.
Năng lượng bức xạ điện từđược giải phóng hoặc hấp thụ dưới dạng các “phần” riêng biệt gọi là lượng tử hay photon, và năng lượng của một lượng tử bằng hn, trong đó h là hằng số Planck, và n là tần số bức xạ. Khi một nguyên tử hấp thụ một lượng tử năng lượng, nó sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, tức là một trong các electron của nó nhảy lên một quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Người ta thường nói rằng nguyên tử trong trường hợp này chuyển sang trạng thái kích thích. Một nguyên tử ở trạng thái kích thích có thể giải phóng năng lượng dự trữ của nó theo nhiều cách khác nhau. Một cách khả thi là phát ra một cách tự nhiên một lượng tử có cùng tần số, sau đó nó trở về trạng thái ban đầu.
Đây là quá trình bức xạ tự phát (phát xạ), được mô tả dưới dạng sơ đồ trong hình. 3 Ở tần số cao, tức là Ở bước sóng ngắn tương ứng với ánh sáng khả kiến, sự phát xạ tự phát xảy ra rất nhanh.
Một nguyên tử bị kích thích, sau khi hấp thụ một photon của ánh sáng khả kiến, thường mất năng lượng thu được do phát xạ tự phát trong thời gian chưa đầy một phần triệu giây.
Quá trình phát xạ tự phát ở tần số thấp hơn bị trì hoãn.
Ngoài ra, một nguyên tử có thể chuyển sang một trạng thái trung gian nào đó, chỉ mất đi một phần năng lượng dưới dạng photon có năng lượng thấp hơn do nó phát ra.
Nguyên tử hydro chỉ có một electron và phổ phát xạ của nó tương đối đơn giản. Trong quang phổ phát xạ của nguyên tử của các nguyên tố khác, số vạch nhiều hơn. Ngay cả trước khi mô hình Bohr ra đời, các nhà vật lý đã học cách phân biệt các vạch có khoảng cách gần nhau trong quang phổ khác nhau về vẻ bề ngoài. Một số trong số chúng (rất hẹp) được gọi là "sắc nét" (từ tiếng Anh sắc nét). Các vạch sáng nhất được gọi là “chính” (theo nguyên tắc tiếng Anh). Các đường rộng hơn đã được quan sát - chúng được gọi là "mờ" (khuếch tán). Một loại đường khác được gọi là “cơ bản” (từ tiếng Anh cơ bản). Bằng những chữ cái đầu tiên tên tiếng anhđã nói về sự hiện diện của các vạch s-, p-, d- và f trong quang phổ phát xạ. Liên quan đến mô hình Bohr, điều này có nghĩa là trong quang phổ của các nguyên tử phức tạp hơn hydro, các hằng số cấp độ điện tử có thể bao gồm một số cấp độ con có khoảng cách gần nhau:
Cấp con s được đặt tên theo dòng “sắc nét”,
Cấp con p được đặt tên theo dòng “chính”,
Cấp con d được đặt tên theo dòng “khuếch tán”, “khuếch tán”, cấp con f được đặt tên theo dòng “cơ bản”.
Sự sắp xếp phức tạp của các cấp độ được hiển thị trong Hình 4, chúng tôi tái hiện lại ở đây:
Các cấp độ điện tử của nguyên tử phức tạp hơn hydro. Sự hiện diện của các mức dưới giải thích nguồn gốc của các vạch “sắc nét”, “nguyên tắc” và “khuếch tán” trong quang phổ. Hơn mức độ cao không được hiển thị trong hình.
Sử dụng quang phổ, người ta thấy rằng cấp độ đầu tiên (n = 1) không chứa bất kỳ cấp độ con nào ngoài s. Cấp độ thứ hai bao gồm hai cấp độ con (s và p), cấp độ thứ 3 - gồm ba cấp độ con (s, p và d), v.v. Như chúng ta có thể thấy, các cấp độ con được chỉ định bằng các chữ cái đầu tiên trong tên tiếng Anh của các vạch tương ứng trong quang phổ. Sau đó, các cấp độ con cao hơn bắt đầu được chỉ định đơn giản bằng cách tiếp tục bảng chữ cái Latinh: g-sublevel, h-sublevel, v.v.
Hình 5 biểu diễn sơ đồ một số quá trình chuyển đổi năng lượng của các electron trong nguyên tử lithium, thu được từ phổ phát xạ của hơi nóng của kim loại này.
Sơ đồ một phần mức năng lượng và mức năng lượng của nguyên tử lithium. Cấp độ 1 thấp hơn nhiều so với cấp độ 2 và không vừa với thang hình ảnh (trích từ cuốn sách “Hóa học đại cương hiện đại” của J. Campbell, M.: Mir, 1975, tập 1, trang 109).
Có thể lưu ý rằng trong Hình 5, một số cấp độ phụ được mô tả bao gồm một số “kệ” có năng lượng như nhau. Ví dụ: cấp độ p bao gồm ba phần có năng lượng bằng nhau, cấp độ d - gồm năm, cấp độ f - gồm bảy phần. Làm thế nào bạn biết điều này? Trở lại năm 1896, nhà vật lý người Đức P. Zeeman đã đặt một thiết bị tương tự như đèn hydro, nhưng chứa đầy hơi natri nóng, trong một từ trường mạnh. Người ta phát hiện ra rằng trong từ trường, số vạch trong quang phổ phát xạ tăng lên (hiệu ứng Zeeman). Một hiện tượng tương tự được quan sát thấy mạnh mẽ điện trường. Cho đến nay, các electron chỉ bị ảnh hưởng bởi Nội lực hạt nhân, một số trong chúng có thể ở trạng thái có cùng năng lượng. Nhưng khi một trường bổ sung bên ngoài xuất hiện, năng lượng này không thể giữ nguyên được nữa. Việc phân tích quang phổ Zeeman sau đó đã đưa nhà vật lý lý thuyết Wolfgang Pauli đến ý tưởng rằng không quá hai electron có thể nằm gọn trên một “kệ” năng lượng. Và để chống lại lực lượng mạnh mẽ lực đẩy, những electron như vậy phải có spin khác nhau (chúng ta sẽ quay lại tính chất này sau). Hóa ra một nguyên tử không thể có hai electron ở cùng một trạng thái. Kết luận này được gọi là nguyên tắc Pauli (hoặc loại trừ).
Các thí nghiệm vật lý giúp xác định mật độ electron của các cấp và cấp dưới. Để làm được điều này, cần phải đo năng lượng ion hóa của các nguyên tử, tức là năng lượng tách electron ra khỏi nó. Đầu tiên, đo năng lượng cần thiết để loại bỏ electron đầu tiên khỏi nguyên tử, sau đó là electron thứ 2, thứ 3, v.v. Hóa ra là tất cả các nguyên tử đều có các electron có năng lượng ion hóa gần nhau. Ví dụ, đối với argon (vỏ electron của nó có 18 electron), người ta đã tìm thấy năm nhóm như vậy có năng lượng ion hóa tương tự. Chúng có 2, 2, 6, 2 và 6 electron. Nhưng 5 mức năng lượng thấp nhất của nguyên tử tương ứng với các phân lớp 1s, 2s, 2p, 3s và 3p (điều này được biết đến từ quang phổ phát xạ). Trong trường hợp này, phân lớp s chỉ nên bao gồm một quỹ đạo (nó có 2 electron), phân lớp p phải bao gồm ba quỹ đạo (có 6 electron - hai electron cho mỗi quỹ đạo). Có thể chỉ ra rằng cấp độ d trong điều kiện bình thường(không có trường ngoài) bao gồm năm quỹ đạo có cùng năng lượng và cấp độ f bao gồm bảy quỹ đạo.
Mô hình của Bohr dần dần được hoàn thiện. Các nhà khoa học bị thu hút bởi nó vì nó có thể được sử dụng để làm khá nhiều việc tính toán chính xác. Ví dụ, có thể tính năng lượng của một nguyên tử hydro ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, xác định bán kính của nó, tính năng lượng ion hóa, v.v. Vì những mục đích này, mô hình đã được trang bị một bộ máy toán học rõ ràng và dễ hiểu cho nhiều nhà nghiên cứu, được phát triển chủ yếu bởi chính N. Bohr và người theo ông là A. Sommerfeld. Để thực hiện các phép tính, cần phải mô tả trạng thái của electron trong nguyên tử, tức là. chỉ ra “địa chỉ” chính xác của nó trong lớp vỏ electron (chính xác hơn là trong mô hình lớp vỏ electron) bằng cách sử dụng cái gọi là số lượng tử. Chúng ta đã biết rằng mọi electron đều tồn tại ở một mức độ nào đó (1, 2, 3, v.v.). Mức này được ký hiệu bằng số n, được gọi là số lượng tử chính. Rõ ràng số n chỉ có thể nhận giá trị nguyên.
Vì các mức đã được gán số lượng tử chính n nên số lượng tử phụ l đã được giới thiệu cho các mức phụ. Nếu số lượng tử chính n là “địa chỉ” của cấp độ thì số l là “địa chỉ” của cấp độ con:
l = 0 là cấp con s, l = 1 là cấp con p, l = 2 là cấp con d, l = 3 là cấp con f.
Số lượng tử điện tử
Các khái niệm và định luật cơ bản của hóa học. Những ý tưởng hiện đại về cấu trúc của nguyên tử.
Hoá học- khoa học về các chất, quy luật biến đổi của chúng (tính chất vật lý và hóa học) và ứng dụng. Hiện nay, hơn 100 nghìn hợp chất vô cơ và hơn 4 triệu hợp chất hữu cơ đã được biết đến.
Hiện tượng hóa học : một số chất bị biến đổi thành chất khác, khác với chất ban đầu về thành phần và tính chất, trong khi thành phần hạt nhân nguyên tử không thay đổi.
Hiện tượng vật lý : trạng thái vật lý của các chất thay đổi (bay hơi, nóng chảy, dẫn điện, giải phóng nhiệt và ánh sáng, tính dẻo, v.v.) hoặc các chất mới được hình thành với sự thay đổi thành phần hạt nhân nguyên tử.
Cấu trúc của nguyên tử.
1. Mọi chất đều được cấu tạo từ các phân tử. phân tử - hạt nhỏ nhất của một chất có tính chất hóa học của nó.
2. Phân tử được tạo thành từ các nguyên tử. nguyên tử - hạt nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học giữ lại toàn bộ thành phần đó Tính chất hóa học. Các nguyên tố khác nhau có các nguyên tử khác nhau.
3. Các phân tử, nguyên tử chuyển động liên tục; giữa chúng có lực hút và lực đẩy.
Nguyên tố hóa học - đây là loại nguyên tử được đặc trưng bởi một số điện tích hạt nhân và cấu trúc của vỏ điện tử.
Khả năng của các nguyên tử tương tác với các nguyên tử khác và hình thành các hợp chất hóa họcđược xác định bởi cấu trúc của nó.
Nguyên tử bao gồm một hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh nó, tạo thành một hệ thống trung hòa về điện tuân theo các định luật đặc trưng của hệ thống vi mô.
Hạt nhân nguyên tử - phần trung tâm của nguyên tử, bao gồm Z proton và N neutron, trong đó phần lớn các nguyên tử tập trung.
Phí lõi - dương, có giá trị bằng số proton trong hạt nhân hoặc số electron trong nguyên tử trung hòa và trùng với số seri nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Tổng số proton và neutron của hạt nhân nguyên tử được gọi là số khối A = Z + N.
đồng vị
- Các nguyên tố hóa học có điện tích hạt nhân giống nhau nhưng khác nhau về số khối do số khác nhau neutron trong hạt nhân.
Công thức hóa học - đây là cách ký hiệu thông thường về thành phần của một chất sử dụng các ký hiệu hóa học (do J. Berzelius đề xuất năm 1814) và các chỉ số (chỉ số là số ở dưới cùng bên phải của ký hiệu. Cho biết số lượng nguyên tử trong phân tử). Công thức hóa học cho biết nguyên tử nào của nguyên tố nào và tỷ lệ nào được kết nối với nhau trong phân tử.
Phân bổ TÔI - Hiện tượng giáo dục nguyên tố hóa học một số chất đơn giản khác nhau về cấu trúc và tính chất. Các chất đơn giản - phân tử, bao gồm các nguyên tử của cùng một nguyên tố.
Chất phức tạp - Phân tử bao gồm các nguyên tử của các nguyên tố hóa học khác nhau.
Đơn vị khối lượng nguyên tử quốc tế bằng 1/12 khối lượng của đồng vị 12 C - đồng vị chính của cacbon tự nhiên.
1 amu = 1 / 12 m (12 C) = 1,66057 10 -24 g
Khối lượng nguyên tử tương đối (A r)- đại lượng không thứ nguyên bằng tỷ số giữa khối lượng trung bình của nguyên tử của một nguyên tố (có tính đến tỷ lệ phần trăm của các đồng vị trong tự nhiên) và 1/12 khối lượng của nguyên tử 12 C.
Khối lượng nguyên tử tuyệt đối trung bình (m) bằng khối lượng nguyên tử tương đối nhân với amu.
Một r(Mg) = 24,312
m (Mg) = 24,312 1,66057 10 -24 = 4,037 10 -23 g
Trọng lượng phân tử tương đối(Ông)- một đại lượng không thứ nguyên cho biết khối lượng của một phân tử của một chất nhất định lớn hơn bao nhiêu lần khối lượng của một nguyên tử cacbon 12 C.
M g = m g / (1 / 12 m a (12 C))
m r là khối lượng của một phân tử của một chất nhất định;
m a (12 C) - khối lượng của nguyên tử cacbon 12 C.
M g = S A g (e). Khối lượng phân tử tương đối của một chất bằng tổng khối lượng nguyên tử tương đối của tất cả các nguyên tố, có tính đến các chỉ số.
Số lượng tử điện tử
Trạng thái của mỗi electron trong nguyên tử thường được mô tả bằng bốn số lượng tử: chính (n), quỹ đạo (l), từ tính (m) và spin (s). Ba cái đầu tiên đặc trưng cho chuyển động của một electron trong không gian và cái thứ tư - xung quanh trục của chính nó.
Số lượng tử chính(N). Xác định mức năng lượng của electron, khoảng cách của mức đó tới hạt nhân và kích thước của đám mây điện tử. Chấp nhận các giá trị nguyên (n = 1, 2, 3...) và tương ứng với số kỳ. Từ bảng tuần hoànĐối với bất kỳ nguyên tố nào, bằng số chu kỳ, bạn có thể xác định số mức năng lượng của nguyên tử và mức năng lượng nào là bên ngoài.
Ví dụ.
Nguyên tố cadmium Cd nằm ở chu kỳ thứ năm, nghĩa là n = 5. Trong nguyên tử của nó, các electron được phân bố theo năm mức năng lượng (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); cấp độ thứ năm sẽ là bên ngoài (n = 5).
Số lượng tử quỹ đạo(tôi) đặc trưng cho hình dạng hình học của quỹ đạo. Chấp nhận giá trị của số nguyên từ 0 đến (n - 1). Bất kể số mức năng lượng là bao nhiêu, mỗi giá trị của số lượng tử quỹ đạo đều tương ứng với một quỹ đạo có hình dạng đặc biệt. Một tập hợp các quỹ đạo có cùng giá trị n được gọi là mức năng lượng và những quỹ đạo có cùng n và l được gọi là mức năng lượng phụ.
l=0 s- cấp dưới, s- quỹ đạo – quỹ đạo hình cầu
l=1 p- cấp dưới, p- quỹ đạo – quỹ đạo quả tạ
l=2 d- cấp dưới, d- quỹ đạo – quỹ đạo có hình dạng phức tạp
f-sublevel, f-orbital - quỹ đạo có hình dạng phức tạp hơn
Do đó, ở cấp độ năng lượng thứ ba có thể có ba cấp độ năng lượng - 3s, 3p và 3d.
Số lượng tử từ(m)đặc trưng cho vị trí của quỹ đạo electron trong không gian và lấy các giá trị nguyên từ -I đến +I, bao gồm 0. Điều này có nghĩa là đối với mỗi hình dạng quỹ đạo có (2l + 1) hướng tương đương về mặt năng lượng trong không gian.
Đối với quỹ đạo s (l = 0) chỉ có một vị trí như vậy và tương ứng với m = 0. Quả cầu không thể có các hướng khác nhau trong không gian.
Đối với quỹ đạo p (l = 1), có ba hướng tương đương trong không gian (2l + 1 = 3): m = -1, 0, +1.
Đối với quỹ đạo d (l = 2), có năm hướng tương đương trong không gian (2l + 1 = 5): m = -2, -1, 0, +1, +2.
Do đó, trên cấp con s có một, trên cấp con p có ba, trên cấp con d có năm, và trên cấp con f có 7 quỹ đạo.
Số lượng tử spin(S) mô tả mô men từ xảy ra khi một electron quay quanh trục của nó. Chỉ chấp nhận hai giá trị +1/2 và –1/2 tương ứng với các chiều quay ngược nhau.
Số lượng tử là các thông số năng lượng xác định trạng thái của electron và loại quỹ đạo nguyên tử mà nó nằm trong đó. Số lượng tử cần thiết để mô tả trạng thái của mỗi electron trong nguyên tử. Tổng cộng có 4 số lượng tử. Đây là: số lượng tử chính - N , tôi , số lượng tử từ – tôi và số lượng tử spin – ms.
Số lượng tử chính là N .
Số lượng tử chính – n – xác định mức năng lượng của electron, khoảng cách từ mức năng lượng đó đến hạt nhân và kích thước của đám mây điện tử. Số lượng tử chính có thể nhận bất kỳ giá trị nguyên nào, bắt đầu từ N =1 ( N =1,2,3,...) và tương ứng với số kỳ.
Số lượng tử quỹ đạo – tôi .
Số lượng tử quỹ đạo – tôi – xác định hình dạng hình học của quỹ đạo nguyên tử. Số lượng tử quỹ đạo có thể nhận bất kỳ giá trị nguyên nào, bắt đầu từ tôi =0 ( tôi =0,1,2,3,… N -1). Bất kể số mức năng lượng là bao nhiêu, mỗi giá trị của số lượng tử quỹ đạo đều tương ứng với một quỹ đạo có hình dạng đặc biệt. Một “tập hợp” các quỹ đạo như vậy có giá trị số lượng tử chính giống hệt nhau được gọi là mức năng lượng. Mỗi giá trị của số lượng tử quỹ đạo tương ứng với một quỹ đạo có hình dạng đặc biệt. Giá trị của số lượng tử quỹ đạo tôi =0 tương ứng S -orbital (loại 1 inch). Giá trị của số lượng tử quỹ đạo tôi =1 tương ứng P -quỹ đạo (3 loại). Giá trị của số lượng tử quỹ đạo tôi =2 tương ứng d -quỹ đạo (5 loại). Giá trị của số lượng tử quỹ đạo tôi =3 tương ứng f -quỹ đạo (7 loại).
quỹ đạo f thậm chí còn có hình dạng phức tạp hơn. Mỗi loại quỹ đạo là thể tích không gian trong đó xác suất tìm thấy electron là tối đa.
Số lượng tử từ tính – ml l.
Số lượng tử từ tính – ml – xác định hướng của quỹ đạo trong không gian so với từ trường hoặc điện trường bên ngoài. Số lượng tử từ nhận bất kỳ giá trị nguyên nào từ –l đến +l, kể cả 0. Điều này có nghĩa là với mỗi hình dạng quỹ đạo có 2l+1 hướng tương đương về mặt năng lượng trong không gian - quỹ đạo.
Đối với quỹ đạo s:
l=0, m=0 – một hướng tương đương trong không gian (một quỹ đạo).
Đối với quỹ đạo p:
l=1, m=-1,0,+1 – ba hướng tương đương trong không gian (ba quỹ đạo).
Đối với quỹ đạo d:
l=2, m=-2,-1,0,1,2 – năm hướng tương đương trong không gian (năm quỹ đạo).
Đối với quỹ đạo f:
l=3, m=-3,-2,-1,0,1,2,3 – bảy hướng tương đương trong không gian (bảy quỹ đạo).
Số lượng tử spin – ms.
Số lượng tử spin – ms – xác định mô men từ xảy ra khi một electron quay quanh trục của nó. Số lượng tử spin chỉ có thể nhận hai giá trị khả dĩ: +1/2 và –1/2. Chúng tương ứng với hai hướng có thể và ngược chiều nhau của mômen từ của chính electron - spin. Các ký hiệu sau đây được dùng để biểu thị các electron có spin khác nhau: 5 Và 6 .
