Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
п-1
X 2(2/+ 1) = 2я2. (47.1)
(-0
Соответствующие числа для различных п были приведены выше.
4. Посмотрим теперь, как меняются электронные конфигурации при переходе от одного атома к другому в порядке возрастания их атомных номеров Z. При возрастании Z на единицу увеличивается на единицу заряд ядра, а к электронной оболочке атома добавляется один электрон. Принцип, определяющий при этом изменение электронной конфигурации, состоит в том, что вновь получаемая конфигурация из Z + 1 электронов должна обладать наименьшей энергией из всех возможных значений ее, допускаемых квантовой механикой. Иначе говоря, энергия связи вновь присоединяемого электрона в атоме должна быть максимально возможной. Однако фактическое применение этого принципа требовало бы решения квантовомеханической задачи многих тел, что практически невыполнимо. Поэтому приходится пользоваться эмпирическими данными, в частности химическими и в особенности данными спектроскопии об ионизационных потенциалах атомов. Это придает теории периодической системы ¦полуэмпирический, описательный характер. Лучше бьцо бы говорить не о теории, а об объяснении периодической системы, что и отражено в заглавии настоящего параграфа.
292
АТОМНЫЕ СИСТЕМЫ СО МНОГИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ
[ГЛ. VI
Казалось бы, что слои должны заполняться последовательно друг за другом, а в пределах каждого слоя сначала должна заполняться целиком s-оболочка, затем также целиком 1-, d- и f-оболочки. В действительности такой «идеальный» порядок заполнения не согласуется с только что сформулированным принципом. Нарушение этого порядка объясняется главным образом наличием у электронов орбитальных моментов количества движения L = л/1 (I + 1) h. Энергия связи электрона зависит не только от его потенциальной энергии в электрическом поле ядра и окружающей его электронной оболочки, но также от «центробежной энергии»
L2 1(1+1) V
2тегг 2тег2
где г — расстояние электрона от ядра. «Центробежная» и электрическая энергии имеют противоположные знаки и поэтому действуют в разные стороны. Образно говоря, центробежная сила, возникающая при орбитальном вращении электрона, стремится удалить электрон от ядра. По этой причине каждый из 10 электронов 3??-оболочки обладает меньшей энергией связи, чем каждый из двух электронов 45-оболочки. Поэтому-то оболочка 4s заполняется электронами раньше, чем оболочка 3d, хотя главное квантовое число во втором случае меньше, чем в первом. Особенно велика «центробежная энергия» в случае d- и /-оболочек, поскольку для этих оболочек соответственно 1(1+1) = 6 и /(/+ 1) = 12. С наличием этих оболочек и связаны отступления от того «идеального» порядка заполнения, о котором говорилось выше.
В действительности слои и оболочки, если отвлечься от некоторых деталей, указанных в табл. 4 (см. ниже), заполняются в следующем порядке:
Is2 2 электрона,
2s22p6 8 электронов,
3s2Зр6 8 электронов,
4s23d104p6 18 электронов,
5s24d105p6 18 электронов,
6s24f145d10 6рв 32 электрона,
7s2 5/14 6d[0 7рь 32 электрона.
5. Слой п = 1 состоит всего из одной s-оболочки (/ = 0). В водороде на этой оболочке (т. е. в состоянии Is) находится лишь один электрон. В атоме гелия к нему присоединяется второй электрон в том же состоянии Is. Средняя энергия связи одного электрона в атоме гелия приблизительно в два раза больше, чем средняя энергия связи электрона в атоме водорода. Это
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ МЕНДЕЛЕЕВА
293
объясняется тем, что заряд ядра гелия вдвое больше заряда ядра водорода, и по этой причине электрон в нормальном состоянии гелия находится на меньшем расстоянии от ядра, чем в атоме водорода. Наличие же второго электрона уменьшает энергию связи первого. Два элемента — водород и гелий — образуют первый период периодической системы.
Присоединим теперь к атому третий электрон, увеличив одновременно на единицу заряд ядра. Третий электрон не может находиться в слое К (п= 1), так как этот слой уже целиком заполнен. Он начинает заполнять 5-оболочку слоя L (п = 2), попадая в состояние 2s. Получается щелочной металл 3Li. Четвертый электрон также попадает в состояние 2s — получается элемент бериллий 4Ве. Пятый электрон уже не может быть присоединен к оболочке 2s, так как она заполнена целиком. Поэтому с бора 5В начинает заполняться 2р-оболочка. В результате последовательно получаются элементы 6С, 7N, 80, gF. Построение оболочки 2р заканчивается благородным газом i0Ne. Так образуется второй (короткий) период периодической системы, состоящий из восьми элементов.
Затем, начиная с щелочного элемента uNa, идет заполнение слоя М (л = 3). Однако после заполнения s- и р-оболочек оно заканчивается благородным газом i8Ar. Получается третий (опять короткий) период периодической системы, состоящий также из восьми элементов. С этого места появляются нарушения «идеального» порядка заполнения слоев и оболочек. Именно, сначала заполняется 45-оболочка и только после этого начинается заполнение пропущенной Зо'-оболочки, да и то при ее заполнении встречаются различные нерегулярности.
6. Порядок заполнения слоев и оболочек указан в табл. 4 В ней приведены электронные конфигурации для каждого элемента. Все элементы разбиты на две половины. Первая половина напечатана слева, а вторая смещена относительно нее вправо. Так же принято поступать в химии с символами тех же элементов при печатании периодической системы, с целью расположить друг под другом элементы со сходными химическими свойствами. В элементах первой половины заполняются s- и р-оболочки. Это заполнение происходит всегда закономерно. Сначала целиком заполняется 5-оболочка, а затем также целиком р-оболочка того же слоя. К электронной конфигурации каждого элемента последовательно прибавляется по одному s- или р-электрону— тогда получается электронная конфигурация стоящего после него элемента.
