2. Budowa jąder i powłok elektronowych atomów

2.6. Poziomy i podpoziomy energii

Najważniejszą cechą stanu elektronu w atomie jest energia elektronu, która zgodnie z prawami mechaniki kwantowej nie zmienia się w sposób ciągły, ale gwałtownie, tj. może przyjmować tylko bardzo określone wartości. Zatem możemy mówić o obecności zestawu poziomów energii w atomie.

Poziom energii- zestaw AO o podobnych wartościach energii.

Poziomy energii są numerowane za pomocą główna liczba kwantowa n, które może przyjmować tylko dodatnie wartości całkowite (n = 1, 2, 3, ...). Im większa wartość n, tym wyższa energia elektronu i wyższy poziom energii. Każdy atom zawiera nieskończoną liczbę poziomów energii, z których niektóre są zapełnione elektronami w stanie podstawowym atomu, a inne nie (te poziomy energii są zapełnione w stanie wzbudzonym atomu).

Warstwa elektroniczna- zbiór elektronów znajdujących się na danym poziomie energii.

Innymi słowy, warstwa elektronowa to poziom energii zawierający elektrony.

Zbiór warstw elektronowych tworzy powłokę elektronową atomu.

W tej samej warstwie elektronowej elektrony mogą nieznacznie różnić się energią i dlatego tak mówią poziomy energii są podzielone na podpoziomy energii(podwarstwy). Liczba podpoziomów, na które podzielony jest dany poziom energii, jest równa liczbie głównej liczby kwantowej poziomu energii:

N (przedmieście) = n (poziom) . (2.4)

Podpoziomy są opisywane za pomocą cyfr i liter: liczba odpowiada numerowi poziomu energii (warstwy elektronicznej), litera odpowiada charakterowi AO tworzącego podpoziomy (s -, p -, d -, f -), na przykład: 2p -podpoziom (2p -AO, 2p -elektron).

Zatem pierwszy poziom energii (ryc. 2.5) składa się z jednego podpoziomu (1s), drugi - z dwóch (2s i 2p), trzeci - z trzech (3s, 3p i 3d), czwarty z czterech (4s, 4p, 4d i 4f) itd. Każdy podpoziom zawiera pewną liczbę spółek akcyjnych:

N(AO) = n2. (2,5)

Ryż. 2.5. Schemat poziomów energii i podpoziomów dla pierwszych trzech warstw elektronicznych

1. AO typu s występują na wszystkich poziomach energii, typy p pojawiają się począwszy od drugiego poziomu energii, typu d – od trzeciego, typu f – od czwartego itd.

2. Na danym poziomie energii może istnieć jeden orbital s, trzy p, pięć d, siedem f.

3. Im większa główna liczba kwantowa, tym większy rozmiar JSC.

Ponieważ jedno AO nie może zawierać więcej niż dwa elektrony, całkowita (maksymalna) liczba elektronów na danym poziomie energii jest 2 razy większa od liczby AO i jest równa:

N (e) = 2n 2 . (2.6)

Zatem na danym poziomie energii mogą znajdować się maksymalnie 2 elektrony typu s, 6 elektronów typu p i 10 elektronów typu d. W sumie na pierwszym poziomie energetycznym maksymalna liczba elektronów wynosi 2, na drugim – 8 (2 typu s i 6 typu p), na trzecim – 18 (2 typu s, 6 typu p i 10 typu d). Wygodnie jest podsumować te wnioski w tabeli. 2.2.

Tabela 2.2

Związek pomiędzy główną liczbą kwantową, liczbą e

W naszym badaniu dowiedzieliśmy się, jaka jest maksymalna liczba elektronów na każdym orbicie, na różnych poziomach energii i podpoziomach.

Co jeszcze musisz wiedzieć, aby ustalić strukturę powłoki elektronowej atomu dowolnego pierwiastka? Aby to zrobić, musisz znać kolejność zapełniania orbitali elektronami.

Kolejność, w jakiej elektrony wypełniają orbitale atomowe, określa zasada najmniejszej energii (zasada minimalnej energii):

Stan podstawowy (stabilny) atomu- Jest to stan charakteryzujący się minimalną energią. Dlatego elektrony wypełniają orbitale w kolejności rosnącej energii.

Orbitale tego samego podpoziomu mają tę samą energię.

Na przykład trzy orbitale danego podpoziomu p mają tę samą energię.

Dlatego zasada najmniejszej energii określa kolejność zapełniania podpoziomów energii: elektrony wypełniają podpoziomy energii w kolejności zwiększania się ich energii.

Jak pokazuje poniższy rysunek, 15. podpoziom ma najniższą energię i jako pierwszy zostaje wypełniony elektronami.

Następnie elektronami zapełniane są kolejno następujące podpoziomy: 2s, 2p, 3s, 3p. Po podpoziomie 3p elektrony wypełniają podpoziom 4, ponieważ ma on niższą energię niż podpoziom 3d.

Wyjaśnia to fakt, że energię podpoziomu określa suma głównych i wtórnych liczb kwantowych, tj. suma (n + l). Im mniejsza jest ta ilość, tym niższa energia podpoziomu. Jeśli sumy n + l są identyczne dla różnych podpoziomów, tym ich energia jest tym mniejsza, im mniejsza jest główna liczba kwantowa n. Podane zasady zostały sformułowane w 1951 r. przez radzieckiego naukowca V. M. Klechkowskiego ( Reguły Klechkowskiego).

Podpoziomy pokazane na rysunku mogą pomieścić 112 elektronów. Atomy znanych pierwiastków zawierają od 1 do 110 elektronów. Dlatego inne podpoziomy w stanach podstawowych atomów nie są wypełnione elektronami.

Na koniec pozostaje wyjaśnić kwestię, w jakiej kolejności elektrony wypełniają orbity jednego podpoziomu. Aby to zrobić, musisz się poznać Reguła Hunda:

Na jednym podpoziomie elektrony są ułożone w taki sposób, że wartość bezwzględna sumy spinowych liczb kwantowych (spin całkowity) jest maksymalna. Odpowiada to stabilnemu stanowi atomu.

Rozważmy na przykład, jakie ułożenie trzech elektronów na podpoziomie p odpowiada stanowi stabilnemu atomu:

Obliczmy wartość bezwzględną całkowitego spinu dla każdego stanu:

Budowa powłok elektronicznych (konfiguracji elektronowych) atomów pierwiastkówI – IV okresy

Aby poprawnie zobrazować konfiguracje elektroniczne różnych atomów, musisz wiedzieć:

1) liczba elektronów w atomie (równa liczbie atomowej pierwiastka);

2) maksymalna liczba elektronów na poziomach, podpoziomach;

3) kolejność wypełniania podpoziomów i orbitali.

ElementyIokres:

W tabelach przedstawiono schematy budowy elektronowej, wzory elektroniczne i elektronowo-graficzne atomów pierwiastków II, III i IV okresu.

ElementyIIokres:

ElementyIIIokres:

ElementyIVokres:

(1887-1961) do opisu stanu elektronu w atomie wodoru. Połączył wyrażenia matematyczne dla procesów oscylacyjnych i równanie de Broglie'a i otrzymał następujące liniowe równanie różniczkowe jednorodne:

gdzie ψ jest funkcją falową (analog amplitudy ruchu falowego w mechanice klasycznej), która charakteryzuje ruch elektronu w przestrzeni jako zaburzenie falowe; X, y, z- współrzędne, M- masa spoczynkowa elektronu, H- stała Plancka, mi- całkowita energia elektronów, mi p jest energią potencjalną elektronu.

Rozwiązaniem równania Schrödingera są funkcje falowe. Dla układu jednoelektronowego (atom wodoru) wyrażenie na energię potencjalną elektronu ma prostą postać:

mi p = − mi 2 / R,

Gdzie mi- ładunek elektronowy, R- odległość elektronu od jądra. W tym przypadku równanie Schrödingera ma dokładne rozwiązanie.

Aby rozwiązać równanie falowe, należy oddzielić jego zmienne. Aby to zrobić, zamień współrzędne kartezjańskie X, y, z do kulistego R, θ, φ. Wówczas funkcję falową można przedstawić jako iloczyn trzech funkcji, z których każda zawiera tylko jedną zmienną:

ψ( X,y,z) = R(R) Θ(θ) Φ(φ)

Funkcjonować R(R) nazywane są składową promieniową funkcji falowej, a Θ(θ) Φ(φ) są jej składowymi kątowymi.

Przy rozwiązywaniu równania falowego wprowadza się liczby całkowite – tzw liczby kwantowe(Główna rzecz N, orbitalny l i magnetyczne M l). Funkcjonować R(R) zależy od N I l, funkcja Θ(θ) - z l I M l, funkcja Φ(φ) - od M l .

Obraz geometryczny funkcji falowej jednoelektronowej to orbital atomowy. Reprezentuje obszar przestrzeni wokół jądra atomu, w którym prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest duże (zwykle wybiera się wartość prawdopodobieństwa 90-95%). Słowo to pochodzi z języka łacińskiego „ orbita„(ścieżka, tor), ale ma inne znaczenie, które nie pokrywa się z koncepcją trajektorii (ścieżki) elektronu wokół atomu, zaproponowaną przez N. Bohra dla planetarnego modelu atomu. Kontury atomu orbitalne są graficznym przedstawieniem funkcji falowej uzyskanej poprzez rozwiązanie równania falowego dla jednego elektronu.

Liczby kwantowe

Liczby kwantowe powstałe przy rozwiązywaniu równania falowego służą do opisu stanów układu chemii kwantowej. Każdy orbital atomowy charakteryzuje się zestawem trzech liczb kwantowych: głównej N, orbitalny l i magnetyczne M l .

Główna liczba kwantowa N charakteryzuje energię orbitalu atomowego. Może przyjmować dowolną dodatnią wartość całkowitą. Im wyższa wartość N, im wyższa energia i większy rozmiar orbity. Rozwiązanie równania Schrödingera dla atomu wodoru daje następujące wyrażenie na energię elektronu:

mi= −2π 2 Ja 4 / N 2 H 2 = −1312,1 / N 2 (kJ/mol)

Zatem każdej wartości głównej liczby kwantowej odpowiada pewna wartość energii elektronu. Poziomy energii o określonych wartościach N czasami oznaczone literami K, L, M, N... (Dla N = 1, 2, 3, 4...).

Orbitalna liczba kwantowa l charakteryzuje podpoziom energetyczny. Orbitale atomowe o różnych orbitalnych liczbach kwantowych różnią się energią i kształtem. Dla każdego N dozwolone wartości całkowite l od 0 do ( N−1). Wartości l= 0, 1, 2, 3... odpowiadają podpoziomom energii S, P, D, F.

Formularz S- orbitale sferyczne, P-orbitale przypominają hantle, D- I F-orbitale mają bardziej złożony kształt.

Magnetyczna liczba kwantowa M l odpowiada za orientację orbitali atomowych w przestrzeni. Dla każdej wartości l magnetyczna liczba kwantowa M l może przyjmować wartości całkowite od -l do +l (w sumie 2 l+ 1 wartości). Na przykład, R-orbitale ( l= 1) można zorientować na trzy sposoby ( M l = -1, 0, +1).

Elektron zajmujący określony orbital charakteryzuje się trzema liczbami kwantowymi opisującymi ten orbital i czwartą liczbą kwantową ( kręcić się) M S, który charakteryzuje spin elektronu – jedna z właściwości (obok masy i ładunku) tej cząstki elementarnej. Kręcić się- wewnętrzny magnetyczny moment pędu cząstki elementarnej. Chociaż to słowo w języku angielskim oznacza „ obrót", spin nie jest związany z żadnym ruchem cząstki, ale ma charakter kwantowy. Spin elektronu charakteryzuje się spinową liczbą kwantową M S, które może wynosić +1/2 i -1/2.

Liczby kwantowe elektronu w atomie:

Poziomy i podpoziomy energii

Zbiór stanów elektronu w atomie o tej samej wartości N zwany poziom energii. Liczba poziomów, na których znajdują się elektrony w stanie podstawowym atomu, pokrywa się z liczbą okresu, w którym znajduje się pierwiastek. Numery tych poziomów oznaczono cyframi: 1, 2, 3,... (rzadziej - literami K, L, M, ...).

Podpoziom energii- zbiór stanów energetycznych elektronu w atomie, charakteryzujący się tymi samymi wartościami liczb kwantowych N I l. Podpoziomy są oznaczone literami: S, P, D, F... Pierwszy poziom energii ma jeden podpoziom, drugi ma dwa podpoziomy, trzeci ma trzy podpoziomy i tak dalej.

Jeśli na schemacie orbitale są oznaczone w postaci komórek (ramki kwadratowe), a elektrony - w postaci strzałek (lub ↓), to widać, że główna liczba kwantowa charakteryzuje poziom energii (EL), kombinacja głównej i orbitalnej liczby kwantowej – podpoziom energii (ESL) ), zbiór głównych, orbitalnych i magnetycznych liczb kwantowych – orbital atomowy, a wszystkie cztery liczby kwantowe to elektrony.

Każdy orbital ma określoną energię. Oznaczenie orbity zawiera numer poziomu energetycznego i literę odpowiadającą odpowiedniemu podpoziomowi: 1 S, 3P, 4D i tak dalej. Dla każdego poziomu energetycznego, zaczynając od drugiego, możliwe jest istnienie trzech o równej energii P-orbitale położone w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach. Na każdym poziomie energii, począwszy od trzeciego, jest ich pięć D-orbitale posiadające bardziej złożony kształt czteropłatkowy. Począwszy od czwartego poziomu energetycznego pojawiają się jeszcze bardziej złożone formy. F-orbitale; jest ich siedem na każdym poziomie. Orbital atomowy z rozłożonym na nim ładunkiem elektronowym nazywany jest często chmurą elektronów.

Gęstość elektronów

Przestrzenny rozkład ładunku elektronów nazywany jest gęstością elektronową. Opierając się na fakcie, że prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w objętości elementarnej d V jest równe |ψ| 2d V, można obliczyć radialną funkcję rozkładu gęstości elektronów.

Jeśli za objętość elementarną przyjmiemy objętość sferycznej warstwy o grubości d R na odległość R zatem z jądra atomu

D V= 4π R 2d R,

a funkcja rozkładu radialnego prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w atomie (prawdopodobieństwo gęstości elektronowej) jest równa

W R= 4π R 2 |ψ| 2d R

Reprezentuje prawdopodobieństwo wykrycia elektronu w kulistej warstwie o grubości d R w pewnej odległości warstwy od jądra atomu.

Za 1 S-orbitale, prawdopodobieństwo wykrycia elektronu jest największe w warstwie znajdującej się w odległości 52,9 nm od jądra. W miarę oddalania się od jądra atomu prawdopodobieństwo znalezienia elektronu zbliża się do zera. W przypadku 2 S-orbitale, na krzywej pojawiają się dwa maksima i punkt węzłowy, gdzie prawdopodobieństwo wykrycia elektronu wynosi zero. Ogólnie rzecz biorąc, dla orbitalu charakteryzującego się liczbami kwantowymi N I l, liczba węzłów na wykresie radialnej funkcji rozkładu prawdopodobieństwa jest równa ( N − l − 1).

Wszystkich ludzi istniejących na świecie można podzielić na kilka grup ze względu na poziom rozwoju energetycznego.

• Poziom 1. Najniższy poziom. Dotyczy to także osób z zaburzonym i osłabionym polem energetycznym. Często są to przedstawiciele ludzkości cierpiący na choroby przewlekłe lub przejściowe.
• Poziom 2. Część populacji należąca do rasy kaukaskiej i nie odzwierciedlająca świadomie swojego biopola.
• Poziom 3. Daje możliwość poczucia nie tylko swojego biopola, ale także energii drugiej osoby. Osoby, które potrafią to zrobić, często nazywane są jasnowidzami.
• Poziom 4. Część mieszkańców planety, która jest w stanie skoncentrować energię, a następnie skierować ją na istoty żywe (ludzie i zwierzęta), zdarzenia, otaczające obiekty i wszystko, na co można wpływać. Do tej grupy zaliczają się czarownicy, którzy władają magią ciemności i światła (uzdrowiciele, uzdrowiciele, czarownice, szamani, czarodzieje). W krajach indyjskich takich ludzi nazywa się asmerami i uzdrowicielami. Uważa się, że początkujący jogini znajdują się na czwartym poziomie.
• Poziom 5. Piąta grupa to ludzie, którzy potrafią regenerować i odbudowywać organizm na poziomie komórkowym (z wyjątkiem komórek rozrodczych). W naturze nie ma ludzi obdarzonych taką mocą od urodzenia. Każdy, kto posiada energię piątego i szóstego poziomu, wykonał ogromną pracę nad samodoskonaleniem i rozwojem swojego biopola.
• Poziom 6-8. Granica świadomości własnego pola energetycznego, którą posiadają jogini i indyjscy czarodzieje najwyższych poziomów. Tacy ludzie potrafią wpływać na losy człowieka i kolejnych pokoleń, kontrolować psychikę i świadomie dokonywać innych poważnych zmian.

Ezoteryk G. Landis zidentyfikował kilkanaście czynników, które pomagają człowiekowi rozwinąć poziom energii.

1. Wykonywanie ćwiczeń pomagających zwiększyć siłę biopola.
2. Skoncentruj się na pozytywnych emocjach, zamiast na negatywnych. Kumulacja pierwszego i eliminacja drugiego.
3. Samokontemplacja i medytacja.
4. Stała komunikacja i kontakt z osobami należącymi do wyższego poziomu energetycznego.
5. Pragnienie pochłonięcia jak największej ilości energii Wszechświata – prany.
6. Wypełnij wszystkie swoje obowiązki.
7. Rozwijanie zdolności organizmu do pozyskiwania z pożywienia wyłącznie użytecznej energii.
8. Naucz się prawidłowo oddychać, aby wymiana gazowa podczas oddychania zachodziła intensywniej.
9. Rozwój wytrzymałości fizycznej.
10. Wykonywanie ćwiczeń mających na celu poprawę elastyczności kręgosłupa i stawów.
11. Odbieranie i magazynowanie energii biologicznej podczas snu.
12. Unikanie pustych rozmów i działań, które nie przynoszą korzyści.
13. Stały kontakt z istotami żywymi (zwierzętami i ptakami).
14. Uprawa roślin i warzyw (uprawa kwiatów, uprawa owoców w ogrodzie)
15. Hobbystycznie oddaje się dziedzinie sztuki.
16. Wegetarianizm, czyli minimalizacja spożycia mięsa i dań z niego wytwarzanych.

Aby rozwijać swoje biopole, nie ma potrzeby bezkrytycznego wypełniania każdego elementu wymienionego na liście. Możesz skorzystać z kilku podanych wskazówek i starać się je wdrażać stale i w pełni. Ta opcja będzie lepsza niż próba przestrzegania wszystkich zaleceń, ale ostatecznie nieuczciwość w stosunku do podanych instrukcji. Dobrze byłoby pozostać przy punktach z pierwszej połowy listy, gdyż to one mają najkorzystniejszy wpływ na rozwój poziomu energii.

W tym artykule wyjaśniono, kiedy odkryto poziomy energii. A także, jak je wyjaśniono i jak wykorzystuje się taką właściwość materii, jak kwantyzacja energii elektronu w atomie.

Błyskawica i marmur

Struktura substancji zainteresowała ludzkość, odkąd stało się możliwe zadawanie abstrakcyjnych pytań bez martwienia się o jedzenie. Groźne zjawiska, takie jak błyskawice, powodzie i susze, budziły grozę. Niemożność wyjaśnienia tego, co się wokół działo, zrodziła myśl o rozgniewanych bogach, którzy żądali ofiar. I każdego dnia ludzie starali się w jakiś sposób nauczyć przewidywania pogody, aby przygotować się na kolejny kataklizm. Starożytni Grecy zdawali sobie sprawę, że substancje składają się z bardzo małych cząstek. Zauważyli, że marmurowe stopnie, po których przez dziesięciolecia chodziło wielu ludzi, zmieniają kształt, co oznacza, że ​​każda stopa zabiera ze sobą jakąś część kamienia. Od tego odkrycia do koncepcji poziomów energii jest bardzo daleko zarówno pod względem czasu, jak i ilości wiedzy. Jednakże to właśnie ta uwaga, poczyniona ponad trzy tysiące lat temu, doprowadziła naszą naukę do jej nowoczesnej formy.

Rutherforda i Bohra

Już na początku XX wieku dzięki eksperymentom z elektrycznością wiadomo było, że minimalną cząstką, która nosi wszystkie właściwości chemiczne substancji, jest atom. Ogólnie był elektrycznie neutralny, ale zawierał elementy dodatnie i ujemne. Naukowcy musieli dowiedzieć się, w jaki sposób są one dystrybuowane. Zaproponowano kilka modeli, z których jeden nazwano nawet „bułką rodzynkową”. Słynny eksperyment Rutherforda pokazał, że w centrum atomu znajduje się ciężkie dodatnie jądro, podczas gdy ładunek ujemny skupia się w małych, lekkich elektronach, które wirują na obrzeżach. Poziomy energetyczne elektronów w atomie i proces ich odkrywania doprowadziły do ​​przełomu w fizyce. Zgodnie z równaniami Maxwella każdy poruszający się naładowany obiekt generuje pole, które w sposób ciągły emituje energię w przestrzeń. Powstało zatem pytanie: dlaczego elektrony krążą w atomach, ale nie są emitowane i nie spadają na jądro, tracąc energię? Dzięki postulatom Bohra stało się jasne, że elektrony zajmują w atomie określone poziomy energii i będąc na tych stabilnych orbitach, nie tracą energii. Ta teza teoretyczna wymagała fizycznego uzasadnienia.

Plancka i lasery

Kiedy Max Planck, próbując uprościć rozwiązanie niektórych równań, wprowadził pojęcie kwantu, rozpoczęła się nowa era w fizyce. Nazywa się go okresem nieklasycznym i wiąże się z szeregiem znaczących odkryć, które radykalnie zmieniły życie ludzkości. Podobnie jak penicylina w medycynie, kwant w fizyce zrewolucjonizował cały system wiedzy. Warto zauważyć, że nowe formuły nie zaprzeczyły, a wręcz przeciwnie, potwierdziły dotychczasowe wnioski. W warunkach ciał objętościowych, makroodległości i zwykłych prędkości zamieniały się one w znane i zrozumiałe prawa. Fizyka kwantowa pomogła odpowiedzieć na wiele pytań, w tym dlaczego w atomie istnieją poziomy energetyczne elektronów. Stało się jasne, że elektrony mogą przeskakiwać z jednej orbity na drugą. W tym przypadku, w zależności od kierunku skoku, następowała absorpcja lub emisja energii. Wiele właściwości substancji opiera się na tych gwałtownych przejściach. Dzięki temu, że w atomach istnieją poziomy energetyczne, działają lasery, istnieje spektroskopia i możliwe jest tworzenie nowych materiałów.

Fala i foton

Jednak samo zjawisko kwantyzacji energii nie daje jasnego wyjaśnienia, dlaczego niektóre poziomy są stabilne i dlaczego zależy od odległości orbity od jądra w atomie. Z pomocą przyszedł niekonwencjonalny pomysł. Wszystko zaczęło się od rozbieżności pomiędzy wynikami różnych eksperymentów na tych samych obiektach. W niektórych przypadkach zachowywały się jak cząstki posiadające masę, a co za tym idzie i bezwładność: poruszały płytami, obracały ostrza. W innych - jako zbiór fal, które mogą się przecinać, gasić lub wzmacniać (na przykład fotony, nośniki światła). W rezultacie naukowcy musieli przyznać: elektrony są zarówno cząstkami, jak i falami. Tak zwany dualizm korpuskularno-falowy wyjaśnia poziomy energii atomu. Podobnie jak fala, elektron poruszający się po okręgu nakłada się na siebie. Tak więc, jeśli maksimum „głowy” pokrywa się z minimum „ogona”, fala zanika. W pewnych odległościach od centrum maksima pokrywają się i elektron może istnieć, jakby stale się utrzymując, tworząc poziomy energetyczne atomu.

Chemia i elektron

W procesie badania właściwości chemicznych substancji okazało się, że każda z nich ma swój własny poziom. Oznacza to, że hel ma inny obraz niż wodór, chociaż ich liczba atomowa różni się tylko o jeden. Poziomy energetyczne atomów pierwiastków chemicznych zależą od ich całkowitej liczby. Oznacza to, że górne elektrony wydają się „naciskać” na niższe poziomy, zmuszając je do przesunięcia. Struktura powłoki energetycznej atomu rządzi się swoimi prawami, które są określone przez cztery główne liczby kwantowe. Znając je, łatwo jest obliczyć poziomy energii elektronów dla każdego rodzaju pierwiastka chemicznego.