Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
co-стоянии. Основное состояние атома совпадает с состоянием последнего
электрона; это состояние - S2Si/2. Энергия связи электрона, находящегося
в М-слое, существенно меньше, чем энергия связи электронов в L-слое при
близких значениях Z. Поэтому первый потенциал ионизации у натрия мал
(5,14 эВ). Атомы с электронными конфигурациями, аналогичными конфигурации
натрия (заполнена р-оболочка и занято одно s-состояние в следующем слое),
обладают очень низкими потенциалами ионизации и, следовательно, высокой
химической активностью. К таким атомам, кроме натрия, относятся калий (Z
= 19), рубидий (Z = = 37), цезий (Z = 55) и франций (Z = 87). Все эти
атомы вместе с литием входят в группу щелочных элементов. Сходство
химических свойств атомов, положенное в основу построения периодической
системы элементов, объясняется одинаковой структурой их внешних
электронных оболочек.
Обратимся к табл. 3. У атома аргона (Z = 18) полностью заполнены К-и L-
слои, а в М-слое заполнены только 3s- и Зр-оболочки. В этом слое, однако,
возможны и состояния с I = 2, т. е. Зб?-состояния. Естественно было бы
ожидать, что в атоме калия с Z = 19 начнет заполняться Зб?-оболочка.
Однако на самом деле у калия, а затем и у кальция (Z = 20) заполняется
45-оболочка, а Зб?-оболочка заполняется только начиная со скандия (Z =
21). Причиной отступления от "правильного" порядка заполнения электронных
оболочек является уже обсуждавшаяся экранировка ядра атома внутренними
электронами.
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69
70
La Се Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm
Yb
ds2 /V /V /V fs2 fs2 fs2 fds2 fs2 f°s2 /ns2 f2s2 f3s2
/14s2
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101
102
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md
No
ds2 /V fds2 fds2 fds2 fs2 fs2 fds2 fs2 f°s2 /ns2 f2s2 f3s2
/14s2
154
Глава б
Для s-электронов экранировка оказывается наименее существенной. Волновые
функции s-электронов имеют максимум в центре атома, поэтому s-электроны в
среднем оказываются в более сильном поле, чем электроны с меньшими
значениями гг, но большими /; s-уровни располагаются в таких случаях
глубже, чем уровни одной или даже двух оболочек предыдущего слоя. С
увеличением числа электронов в атоме влияние экранировки все сильнее
сказывается на порядке заполнения уровней, что можно проследить по
электронным конфигурациям, приведенным в табл. 3 и 4.
В табл. 4 указан порядок заполнения уровней для основных состояний всех
атомов, включая курчатовий (Z = 104). Атомы группируются в периоды,
принятые в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Каждый
период начинается с заполнения очередной s-оболочки, периоды со 2-го по
6-й заканчиваются заполнением р-оболочек.
Из табл. 4 видно, что во всех периодах с ростом Z р-оболочки заполняются
последовательно, а в заполнении d- и /-оболочек наблюдаются
нерегулярности. Четырнадцать элементов от 57La до 7oYb называют
лантаноидами; у этих элементов (за исключением самого лантана)
последовательно заполняется 4/-оболочка. Четырнадцать элементов от 8эАс
до 102N0 составляют группу а к -тиноидов; в атомах этих элементов с
некоторыми нерегулярностями заполняется 5/-оболочка. Наименее связанные
(валентные) электроны этих атомов находятся на заполненной s-оболочке;
энергия ионизации нормальных атомов лантаноидов близка к 6 эВ, для
нормальных атомов актиноидов - к 4 эВ.
§ 33. Правила отбора при излучении атомов
В атомах, находящихся в основных состояниях, электроны занимают самые
глубокие энергетические уровни. У возбужденных атомов один или несколько
электронов находятся на более высоких уровнях, а часть нижних уровней
остается незаполненной. При переходах электронов с верхних на нижние
незанятые уровни освобождается энергия. Если эта энергия выделяется в
виде электромагнитного излучения, наблюдаются оптические (при переходах
внешних электронов) или рентгеновские (при переходах внутренних
электронов) спектры. Исследование этих спектров является основным методом
изучения атомов.
Опыт показывает, что наличие свободного места на одном из нижних уровней
необходимо, но не достаточно для испускания кванта электромагнитного
излучения. Электромагнитное излучение возникает, если квантовые
характеристики атома до высвечивания и после высвечивания удовлетворяют
так называемым правилам отбора, которые следуют из законов сохранения и в
первую очередь из закона сохранения углового момента.
Правила отбора естественным образом получаются из математического
аппарата квантовой механики. Для этого нужно исследовать вза-
§33. Правила отбора при излучении атомов
155
имодействие атомов с электромагнитным полем, что требует серьезного
расширения математического аппарата. Делать этого мы не будем.
Происхождение и смысл правил отбора могут быть, однако, получены и без
вычислений - с помощью простых качественных соображений.
Из классической оптики известно, что световые волны могут быть
поляризованными. Поляризация света всегда является поперечной. В оптике
