Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
увеличением п. Кроме того, если смотреть зависимость от I при данном п,
то получается, что при увеличении I волновая функция становится все более
сильно подавленной вблизи ядра. Это соответствует проявлению
центробежного отталкивания при больших I. Чтобы закончить это обсуждение,
еще раз заметим, что построение эффективного потенциала является
приближением, которое используется, как обсуждалось выше, чтобы изучать
основное состояние многоэлектронного атома и, с меньшим основанием,
низколежащие возбужденные состояния.
Теперь мы готовы перейти к атомам. В обсуждавшемся приближении любое
состояние многоэлектронного атома полностью определяется списком
одночастичных состояний, которые заняты. Напомним, что последние
нумеруются четырьмя квантовыми числами п, I, то/, т3, а уровни энергии
enj зависят только от п и I. В соответствии с принципом Паули, числа
заполнены могут быть только 0 и 1. Однако, хотя два электрона не могут
обладать всеми четырьмя квантовыми числами, два или больше электронов
могут иметь одинаковые п и I и находиться в состоянии с одинаковой
одночастичной энергией, соответствующей состояниям, отличающимся то/ и
т3. Множество 2(21 + 1) одночастичных состояний, различающихся по то/ и
т3, но обладающих одинаковыми
142
Глава 6
квантовыми числами п и I образуют то, что принято называть оболочкой.
Тогда ns-оболочка может принять до двух электронов, пр-оболочка - 6
электронов, nd-оболочка - до 10 электронов, и т.д.
Начнем с гелия. Ясно, что основное состояние должно содержать оба
электрона в Is состоянии, одно со спином вверх, другое со спином вниз.
Поэтому о нем говорят как о (Is)2 конфигурации. А про Is оболочку
говорят, что она заполнена (или замкнута). Основное состояние гелия
является компактным связанным состоянием. Эмпирическая энергия ионизации,
т. е. энергия, необходимая для того, чтобы удалить один электрон, оставив
второй в ионизированном основном состоянии, составляет I = 24,6 эв. Это
очень много. Поэтому атомы гелия и являются такими химически неактивными.
Фактически, очень трудно даже оттащить электрон от атома, чтобы помочь
гелию соединиться с другими атомами. Поэтому гелий является инертным
газом. Нейтральный атом лития имеет три электрона. Is оболочка не может
принять все три, так что основным состоянием лития является конфигурация
(ls)2(2s): два электрона находятся в Is оболочке, оставшийся в 2s. Если
бы можно было игнорировать электрон-электронное взаимодействие, то
энергия, необходимая для удаления 2s электрона, составляла бы 30,6 эв, т.
е. значение, которое получилось бы из формулы для атома водорода
13,6Z2/n2 эв, при Z = 3, п = 2. В другом пределе, если предполагать, что
ядерный потенциал максимально экранирован Is электронами, для 2s
электрона эффективное квантовое число должно составлять Z* = = 1. Тогда
энергия ионизации составит только 3,4 эв. Экспериментальное значение
энергии ионизации составляет I = 5,4 эв. Это значение получается равным
Z* = 1,3, как если бы для валентного электрона зарядовый параметр казался
снаружи окруженным Is оболочкой. Это соответствует существенному, но не
максимальному экранированию.
Атом бериллия имеет четыре электрона в конфигурации (ls)2(2s)2. Это снова
полностью замкнутая оболочка, как у гелия. Но в противоположность гелию,
бериллий не является химически неактивным. Это происходит потому, что 2р
уровень оказался только слегка выше по энергии, чем 2s уровень. Другие
атомы, которые соединяются с бериллием, используют это, передавая ему
малую разность энергии, необходимую для того, чтобы перевести электрон
бериллия с уровня 2s на 2р. Полученная энергия выделяется за счет
перестройки их собственной электронной структуры, необходимой для
возникновения химической связи. Детали химического взаимодействия выходят
за пределы нашего краткого обзора атомов. Начиная с бора (Z = 5) и
проходя через углерод (Z = = 6), азот (Z = 7), кислород (Z = 8), фтор (Z
= 9), неон (Z = 10), каждый раз к 2р оболочке добавляется по электрону,
так что бор имеет конфигурацию (ls)2(2s)2(2p); углерод - конфигурацию
(ls)2(2s)2(2p)2; и так далее до фтора, которому соответствует
(ls)2(2s)2(2p) , и неона с конфигурацией (ls)2(2s)2(2p)6.
Немного о тождественных бозонах
143
Неон снова является инертным газом. Его оболочки замкнуты. Чтобы удалить
у него электрон, надо затратить приличное количество энергии. Фтору не
хватает лишь одного электрона для полного заполнения оболочки, что делает
его чрезвычайно активным. Химически он очень активен и пытается забрать
лишний электрон у окружающих партнеров. Натрий (Z = 11) имеет на один
электрон больше неона, этот лишний электрон располагается в 3s оболочке.
Поэтому конфигурацию для натрия можно записать в виде (Ne)(3s), где
запись (Ne) символизирует конфигурацию неона. Магний имеет конфигурацию
(Ne)(3s)2. Хотя оболочка замкнута, как и в случае бериллия, магний не
является инертным, поскольку уровень 3р не сильно удален по
