Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
2*
35
Рис. К). Строение орбит:
но Пору; 0 но Iа¦ >|>у п Зоммс'рфольду
движение электрона влияет на смещение ядра, связанного с ним упругой связью (взаимодействие), то орбита электрона представляет собой не замкнутую кривую, а спираль (рис. 11). Перемещение ядра (прецессия ядра) превращает атом в физическое тело, размеры которого определены сферой, радиус которой равен большей полуоси наибольшего из эллипсов (рис.
11).
Атом водорода с электроном, движущимся по той или иной орбите в зависимости от степени его возбуждения, представляет собой электромагнитную систему, способную реагировать на внешние электрические и магнитные поля. В самом деле, электрон, движущийся по орбите, можно рассматривать как виток с током — ампер-виток, создающий магнитное поле, причем сила тока оказывается весьма значительной.
В ел и ч и н а маг н и т и о г о момента, создаваемого электроном на орбите, тоже меняется дискретно, в соответствии с квантовыми условиями. Введем магнитное квантовое число т, которое в отличие от квантовых чисел п и / является вектором, так как магнитный момент в зависимости от направления движения электрона меняет знак. Магнитные свойства атомов создают дополнительную энергию атома при наличии внешних магнитных полей.
Рассмотрим воздействие внешнего магнитного ноля на атом водорода, электрон в котором движется по круговым орбитам (/=0). В случае, если круговая орбита расположена в любой из плоскостей {хОу; х0г\ 20//), а направление внешнего магнитного поля совпадает с осью 2 (рис. 12), дополнительного движения электрона
Рис, 11. Движение '-Ш'ктрона с учетом прецессии ядра
36
и смещения орбиты быть не может — вращательного момента между магнитным вектором электрона и вектором внешнего поля нет (или совпадение, или пересечение векторов), т.е. если / — О, то и т—0.
Если /=1, то магнитный момент электрона на орбите не совпадает с ее фокусом, и тогда между вектором внешнего магнитного поля и вектором магнитного поля электрона возникает вращающий момент, увеличивающий энергию электрона на орбите за счет дополнительных перемещений. Если электрон атома водорода движется по эллиптической орбите, которая тоже может располагаться в различных плоскостях (хОу; хОг; гОу), а вектор внешнего магнитного поля по-прежнему направлен по оси г (рис. 13), орбита,
І (М)
тюу=0
т
Рис. 12. Взаимодействие круговой орбиты с магнитным полем
Рис. 13. Взаимодействие эллиптических орбит с магнитным полем
расположенная в плоскости гОу, не взаимодействует с внешним полем (т = 0); орбиты, расположенные в других плоскостях, в зависимости от направления врачщения электрона создают магнитное квантовое число т— + 1 или т— —1. Таким образом, для электрона с орбитальным квантовым числом /=1 значения магнитного квантового числа будут -+-1; 0; —1. Общее число значений магнитного квантового числа равно
т = 21 + 1. , (2.20)
Наличием собственных магнитных полей атома водорода удалось объяснить расщепление спектральных линий в магнитном поле (эффект Зеемана) и в' электрическом поле (эффект Штарка); было введено еще одно квантовое число — спиновое квантовое число я. Спин, или вращение электрона относительно собственной оси, может быть левым и правым и создает небольшой дополнительный магнитный момент. Величина спинового квантового числа я может
быТЬ + ' 12 ИЛИ —Х12.
Таким образом, поведение или состояние электрона в атоме водорода по уточненной теории строения атома Бора и Зоммерфельда определяется четырьмя квантовыми числами, находящимися между
37
собой в определенном соотношении, показанном в табл. 2.4. Каждое сочетание квантовых чисел определяет собой запас энергии электрона. Главное квантовое число п определяет общее значение энергии уровня. Последний в зависимости от значения / распадается на отдельные Подуровни, в пределах которых энергия электрона может меняться в зависимости рт величины квантового числа. Каждому соотношению п, /, гп может соответствовать любое значение спинового квантового числа я= ±'/2-
Расщепление энергетического уровня на ряд подуровней вызвало необходимость их индексации. Общепринятые обозначения подуровней, показанные в табл. 2.4, взяты из области спектральных
Таблица 2.4. Соотношения между квантовыми числами п, I, т, 5 и обозначения подуровней в атоме водорода
Главное квантовое число п или номер уровня Орбитальное кпаптоиое число / Магнитное киаитоное число т Спиновое кнантопои число .« Индексы подуровней
1 0 0 ±1 /2 Ь'
0 0 ±1/2 2$
2 1 4-1
0
— 1 ± 1/2 ±1/2 ±1/2 2р
0 0 ± 1/2 За
з 1 + 1
0
— 1 ±1/2 ±1/2 ±1/2 Зр
2 + 2 + 1 0
_ 1
—2 ±1/2 ± 1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 м
0 0 ±1/2 4«
1 + 1 0
— 1 ' ±1/2 ±1/2 ±1/2 Ар
4 2 + 2 + 1 0
„.1
—2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 Ай
3 + 3 + 2 + 1 0 — 1 -2 —3 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ± 1/2 ±1/2 ±1/2 4/
38
исследований (s — sharp; p — principal; d — diffusion; / — fundamental И т. д.).
Естественно, чем выше номер уровня, тем ниже значение энергии электрона., связывающей его с ядром, с одной стороны, и тем меньше различие этой энергии в подуровнях, на которые делится данный уровень, с другой стороны.
