3.13 Енергетичні рівні. Молекулярні спектри

3.13.1 Періодична система Менделєєва та її побудова на основі заповнення енергетичних рівнів за принципом Паулі

На енергію електрона впливає значення квантових чисел n і . Однак, відмінність в енергії між станами з різним значенням  і однаковим n взагалі не настільки є великою, як для станів із різним n. Оболонки атомів підрозділяються на підоболонки. Наприклад, позначення підоболонки 2p показує, що n=2, =1 для електронів, які знаходяться на даній підоболонці.

n=1,2,3…  K, L, M, N – номери оболонок, яким відповідають послідовно значення n=1,2,3…

=0,1,2,3…n-1  s, p, d, f – стани з однаковим значенням моменту імпульса, яким відповідають послідовно значення =0,1,2,3…n-1

m – магнітне квантове число

m=0, 1, 2…

s=1/2

Згідно принципа Паулі не може бути двох електронів з чотирма однаковими квантовими числами n, , m, s. На одному рівні може бути тільки два електрони, причому їх спіни будуть протилежні:

Прослідкуємо побудову періодичної системи елементів.

Як показано на рис. 3.10, кожний наступний атом отримується збільшенням заряду ядра попереднього атома на одиницю і додаванням одного електрона, який поміщається в доступний йому стан із найменшою енергією згідно принципа Паулі. Так, атом гелію дістаємо, додавши до заряду атома водню одиницю і додавши 1 електрон, що розміщений в К-оболонці, але із протилежним спіном. На атомі Не заповнення К-оболонки припиняється. Електронна конфігурація атома Не: 1s² (два 1s-електрона). Третій електрон атома Li знаходиться на рівні 2s (n=2, =1). Конфігурація атома: Li: 1s²2s. Одинадцятий елемент – Na, має, крім заповнених K i L-оболонок, один електрон в підоболонці 3s. Його електронна конфігурація: 1s²2s²2p⁶3s. Електрон 3s слабо зв’язаний із ядром в порівнянні з іншими електронами і є валентним. Тому за своїми властивостями Na подібний до Li.

Максимальна кількість електронів із однаковою енергією .

- момент імпульсу електрона так визначається через число .

3.13.2 Ефект Зеємана. Дослід Штерна і Герлаха

Ефект Зеємана полягає в розщепленні енергетичних рівнів атомів під дією магнітного поля. Атом в магнітному полі з індукцією дістає додаткову енергію

,

_Б – магнетон Бора, m_j=0, 1,… j

Ефект посилюється наявністю у квантових систем (наприклад, атомів) магнітного момента, який може орієнтуватися в просторі лише певним чином.

Наслідком досліду Штерна і Герлаха є доказ того, що проекція магнітного моменту на напрямок магнітного поля приймає дискретні значення (квантується).

В досліді (рис. 3.11) використовувались атоми Ag, на зовнішній оболонці яких є один електрон. Це означає, що магнітний момент атома пов’язаний лише із власним магнітним моментом електрона.

Наявність спіна підтверджується дослідами по відхиленню атомів срібла в неоднорідному магнітному полі, де спостерігалась наявність двох орієнтацій електронів: при H0 бачимо утворення двох смужок тільки тоді, коли поле неоднорідне. Всі атоми відхиляються в магнітному полі двояко, що відповідає лише двом можливим орієнтаціям магнітного момента в зовнішньому полі.

3.13.3 Електронний парамагнітний резонанс (епр)

1 – генератор НВЧ-хвиль

2 - парамагнетик

3 - осцилограф

4 - камера

5 - магніт

ЕПР - явище резонансного поглинання електромагнітних хвиль НВЧ-діапазона парамагнетиком, який поміщений в постійне магнітне поле. Коли частота падаючого на парамагнетик вимушеного випромінювання достатня для переходу електрона з одного підрівня, що утворився внаслідок розщеплення рівня, на другий. Застосовується для вивчення електронної структури парамагнетиків, є наслідком ефекта Зеємана.

Прилад для дослідження ЕПР, показаний на рис. 3.12, називається радіоспектроскоп. При резонансі на осцилографі спостерігається різкий пік.