34.Atom va molekulalardagi energiya darajalari. Energiya darajalari orasidagi o'tish paytida energiyaning emissiyasi va yutilishi. Vodorod atomining spektri.

MOLEKULALARNING ENERGIYA DARAJALARI

Molekulalar atomlardan tashkil topganligi sababli, molekula ichidagi harakat atom ichidagi harakatga qaraganda murakkabroq. Molekulada elektronlarning yadrolarga nisbatan harakatiga qo'shimcha ravishda atomlarning muvozanat holati atrofida tebranish harakati (yadrolarning ularni o'rab turgan elektronlar bilan birgalikda tebranishi) va butun molekulaning aylanish harakati mavjud. Molekulaning elektron, tebranish va aylanish harakatlari energiya darajasining uch turiga to'g'ri keladi: Eel, Ekol va Evr. Kvant mexanikasiga ko'ra, molekuladagi barcha turdagi harakatlarning energiyasi faqat diskret qiymatlarni oladi (kvantlangan). Taxminan molekulaning umumiy energiyasi E ni har xil turdagi kvantlangan energiyalar yig'indisi sifatida ifodalaymiz: E = Eel + Ekol + Eur.

Elektron energiya darajalari orasidagi masofa bir necha elektron voltga teng, qo'shni tebranish darajalari o'rtasida 10 ~ 2-10 "" eV, qo'shni aylanish darajalari o'rtasida 10-5 _ 10-3 eV.

NURLARNING VA ENERGIYANI ATOM VA MOLEKULALARNING SUTILIShI XUSUSIYATLARI.

Atom va molekula statsionar energiya holatida bo'lishi mumkin. Bunday holatlarda ular energiya chiqarmaydi va yutmaydi. Energiya holatlari sxematik tarzda darajalar sifatida ifodalanadi. Energiyaning eng past darajasi - asosiysi - asosiy holatga mos keladi.

Kvant o'tish jarayonida atomlar va molekulalar bir statsionar holatdan ikkinchisiga, bir energiya darajasidan ikkinchisiga o'tadi. Atomlar holatining o'zgarishi elektronlarning energiya o'tishlari bilan bog'liq. Molekulalarda energiya nafaqat elektron o'tishlar natijasida, balki atom tebranishlarining o'zgarishi va aylanish darajalari orasidagi o'tishlar tufayli ham o'zgarishi mumkin. Yuqoridan harakatlanayotganda energiya darajalari pastki atom yoki molekula energiya chiqaradi va teskari o'tish paytida energiyani yutadi. O'zining asosiy holatidagi atom faqat energiyani o'zlashtira oladi. Kvant o'tishlarining ikki turi mavjud:

1) nurlanishsiz yoki atom yoki molekula tomonidan elektromagnit energiyani yutmasdan. Bu radiatsiyaviy bo'lmagan o'tish atom yoki molekula boshqa zarralar bilan o'zaro ta'sirlashganda sodir bo'ladi, masalan

to'qnashuv paytida. Noelastik to'qnashuv mavjud bo'lib, unda ichki holat atom va radiatsiyaviy bo'lmagan o'tish sodir bo'ladi va elastik o'tish - atom yoki molekulaning kinetik energiyasining o'zgarishi bilan, lekin ichki holatni saqlab qolish bilan;

2) fotonning emissiyasi yoki yutilishi bilan. Fotonning energiyasi atom yoki molekulaning boshlang'ich va oxirgi statsionar holatlari energiyalari orasidagi farqga teng:

Formula (29.1) energiyaning saqlanish qonunini ifodalaydi

Fotonning chiqishi bilan kvant o'tishini keltirib chiqaradigan sababga ko'ra, nurlanishning ikki turi ajratiladi. Agar bu sabab ichki va qo'zg'aluvchan zarrachaning o'z-o'zidan pastroq energiya darajasiga o'tishi bo'lsa, unda bunday nurlanish o'z-o'zidan deb ataladi (29.1-rasm, a). Vaqti, chastotasi (turli pastki darajalar o'rtasida o'tishlar bo'lishi mumkin), tarqalish yo'nalishi va polarizatsiya bo'yicha u tasodifiy va xaotikdir. An'anaviy yorug'lik manbalari asosan spontan nurlanish chiqaradi. Boshqa nurlanish majburiy yoki induktsiyalangan (29.1-rasm, b). Agar foton energiyasi energiya darajalaridagi farqga teng bo'lsa, foton qo'zg'atilgan zarracha bilan o'zaro ta'sir qilganda sodir bo'ladi. Majburiy kvant o'tish natijasida zarrachadan ikkita bir xil fotonlar bir yo'nalishda tarqaladi: biri birlamchi, majburlovchi, ikkinchisi esa ikkilamchi, chiqariladi. Atomlar yoki molekulalar chiqaradigan energiya emissiya spektrini, so'rilgan energiya esa yutilish spektrini hosil qiladi.

Spektral chiziqlarning intensivligi soniyada sodir bo'ladigan bir xil o'tishlar soni bilan belgilanadi va shuning uchun chiqaradigan (yutuvchi) atomlar soniga va mos keladigan o'tish ehtimoliga bog'liq.

Har qanday energiya darajalari orasida kvant o'tishlari sodir bo'lmaydi. Tanlash yoki taqiqlash qoidalari o'rnatiladi, ular o'tishning mumkin bo'lgan va mumkin bo'lmagan yoki mumkin bo'lmagan shartlarini belgilaydi.

Ko'pgina atomlar va molekulalarning energiya darajalari juda murakkab. Darajalar va, demak, spektrlarning tuzilishi faqat bitta atom yoki molekulaning tuzilishiga emas, balki tashqi omillarga ham bog'liq.

Elektronlarning elektromagnit o'zaro ta'siri energiya darajalarining nozik bo'linishiga1 olib keladi (nozik tuzilish). Yadrolarning magnit momentlarining ta'siri o'ta nozik bo'linishni (giper nozik tuzilish) keltirib chiqaradi. Atom yoki molekuladan tashqaridagi elektr va magnit maydonlar ham energiya darajalarining bo'linishiga olib keladi (Stark va Zeeman hodisalari; § 30.2 ga qarang).

Spektrlar turli xil ma'lumotlar manbai.

Avvalo, atomlar va molekulalarni spektr turiga qarab aniqlash mumkin, bu sifat spektral tahlil vazifasiga kiradi. Spektral chiziqlarning intensivligi chiqaradigan (yutuvchi) atomlar sonini aniqlaydi - miqdoriy spektral tahlil. Bunday holda, 10~5-10~6% konsentratsiyalarda aralashmalarni topish va juda kichik massali namunalar tarkibini aniqlash nisbatan oson - bir necha o'nlab mikrogramlargacha.

Spektrlardan atom yoki molekulaning tuzilishini, ularning energiya darajalarining tuzilishini, yirik molekulalarning alohida qismlarining harakatchanligini va hokazolarni aniqlash mumkin. Spektrlarning atom yoki molekulaga ta'sir qiluvchi maydonlarga bog'liqligini bilib, zarrachalarning nisbiy holati haqida ma'lumot olinadi, chunki qo'shni atomlarning (molekulalarning) ta'siri elektromagnit maydon orqali amalga oshiriladi.

Harakatlanuvchi jismlarning spektrlarini o'rganish optik Doppler effekti asosida nurlanish emitenti va qabul qiluvchining nisbiy tezligini aniqlash imkonini beradi.

Agar moddaning spektridan uning holati, harorati, bosimi va boshqalar haqida xulosa chiqarish mumkinligini hisobga olsak, tadqiqot usuli sifatida atomlar va molekulalar tomonidan nurlanish va energiya yutilishidan foydalanishni yuqori baholashimiz mumkin.

Atom (yoki molekula) chiqaradigan yoki yutgan fotonning energiyasiga (chastotasiga) qarab, spektroskopiyaning quyidagi turlari tasniflanadi: radio, infraqizil, ko'rinadigan nurlanish, ultrabinafsha va rentgen.

Moddaning turiga (spektr manbai) qarab atom, molekulyar va kristall spektrlar ajratiladi.

Yorug'likning yutilishi (Buger qonuni)

X-nurlari va gamma nurlarining PS miqdori Buger qonuni bilan tavsiflanadi:

Bu erda I0 - tushayotgan nurlanishning intensivligi;

I - qalinligi x bo'lgan moddaning qatlamidan o'tgandan keyin nurlanishning intensivligi. Bu formula yorug'lik uchun Buger qonunidan faqat m koeffitsientini belgilashda farq qiladi ionlashtiruvchi nurlanishda u zaiflash koeffitsienti deb ataladi; Koeffitsient, birinchi navbatda, narsaning turiga bog'liq: element qanchalik og'ir bo'lsa, zaiflashuv koeffitsienti shunchalik katta bo'ladi. Ikkinchidan, m juda ko'p nurlanish turiga va energiyasiga bog'liq.

Tibbiy amaliyotda ionlashtiruvchi nurlanishning kuchi odatda I intensivligi bilan emas, balki P doza tezligi deb ataladigan bilan tavsiflanadi. Lekin P va I bir-biriga proportsionaldir, shuning uchun:

R=R0*exp (-mx)

Koeffitsient bilan birga Attenuatsiya ko'pincha yarim zaiflash qatlami deb ataladigan boshqa doimiydan foydalanadi. Bu narsaning qalinligi, bu doza tezligini ikki baravar kamaytiradi. Odatda u d0,5 bilan belgilanadi. m=0,693/d0,5 va Buger qonunini quyidagi shaklda yozish mumkin: P=P0*exp (0,693x/d0,5).

Standart materialdagi yarim zaiflashuv qatlamining qiymatini bilib, siz turli xil nurlanishlarning qattiqligini solishtirishingiz mumkin. d0,5 qanchalik katta bo'lsa, hodisa shunchalik qattiqroq bo'ladi. Radiatsiya. Bu amalda qulay, chunki... Yarim susaytiruvchi qatlam har qanday dozimetrik qurilma tomonidan osongina aniqlanishi mumkin, agar turli qalinlikdagi plitalar to'plami mavjud bo'lsa.

Ayrim hollarda moddaning yutuvchi qatlamini qalinligi bilan emas, balki uning birlik maydonidagi massasi (m/S) bilan tavsiflash qulay. Maydoni S va qalinligi x bo'lgan plastinka bo'lsin. Bunday plastinkaning hajmi S*x va massasi m=S*x*r ga teng bo'ladi, bu erda r - yutuvchi materialning zichligi. Demak, x=m/Sr va x=(m/r)*(m/S) va bundan keyin: P=P0*exp(-((m/r)*(m/S))).

m/r=mmass qiymati massa susayish koeffitsienti deyiladi. Chiziqli koeffitsientdan foydalanish qulayroq m, p.h. har xil narsalardagi massa susayish koeffitsientlarining qiymatlari bir-biridan kamroq farq qiladi.

Agar nurlanish bir necha xil narsalardan ketma-ket o'tib ketsa, u holda massa zaiflashuv koeffitsientidan foydalanganda ularning barchasini o'rtacha zichlikka ega bo'lgan bir qatlamga birlashtirish mumkin, bu esa hisoblashni sezilarli darajada osonlashtiradi.

YORG'ILIK TARQISHI

Yorug'likning tarqalishi - bu muhitda tarqaladigan yorug'lik nurining barcha mumkin bo'lgan yo'nalishlarda og'ishi hodisasi.

Yorug'likning tarqalishining paydo bo'lishi uchun zaruriy shart - bu optik bir xilliklarning mavjudligi, ya'ni. asosiy muhitdan farqli sinishi indeksiga ega bo'lgan hududlar. Yorug'likning tarqalishi va diffraksiyasi ba'zi umumiy xususiyatlarga ega, ikkala hodisa ham to'siq yoki bir hil bo'lmaganlik va to'lqin uzunligi nisbatiga bog'liq. Bu hodisalarning farqi shundaki, difraksiya ikkilamchi to‘lqinlarning interferensiyasidan, tarqalish esa radiatsiyadan kelib chiqadigan nurlanishning qo‘shilishi (interferentsiya emas!) natijasida yuzaga keladi. majburiy tebranishlar yorug'lik ta'sirida bir hil bo'lmagan elektronlar.

Bunday heterojenlikning ikkita asosiy turi mavjud:

1) bir hil shaffof moddadagi kichik begona zarralar. Bunday muhitlar loyqadir: tutun (gazdagi qattiq zarralar), tuman (gazdagi suyuq tomchilar), suspenziyalar, emulsiyalar va boshqalar. Loyqa muhitda sochilish Tindall fenomeni deb ataladi.

2) molekulalarning bir xil taqsimotdan statistik og'ishi (zichlikning tebranishlari) tufayli sof moddada paydo bo'ladigan optik bir xillik.

Ushbu turdagi bir jinsli bo'lmaganlardan yorug'likning tarqalishi molekulyar deb ataladi; masalan, atmosferada yorug'likning tarqalishi.

Ii =I0-ml, bu erda m - tarqalish ko'rsatkichi (tabiiy).

Yorug'likning yutilishi va tarqalishining birgalikdagi ta'siri bilan intensivlikning susayishi Ii =I0-µl ko'rsatkichli funktsiyadir, bu erda µ - zaiflashuv indeksi (tabiiy). Ko'rish oson, µ= m + k.

Rayleigh aniqladiki, loyqa muhitda taxminan 0,2 A dan past bo'lgan bir jinsli bo'lmagan muhitda sochilganda, shuningdek molekulyar sochilish paytida tarqalgan yorug'lik intensivligi to'lqin uzunligining to'rtinchi darajasiga teskari proportsionaldir (Reyl qonuni): I ~ 1 / 4 .

OPTIK ATOM SPEKTRALARI

Atom spektrlari - bu erkin yoki kuchsiz ta'sir qiluvchi atomlar darajalari orasidagi kvant o'tishlari paytida paydo bo'ladigan emissiya spektrlari va yutilish spektrlari.

Optik atom spektrlari deganda biz bir necha tartibli foton energiyaga ega bo'lgan tashqi elektronlar sathlari o'rtasidagi o'tishlar natijasida yuzaga keladiganlarni tushunamiz.

elektron-volt. Bunga spektrning ultrabinafsha, ko'rinadigan va yaqin infraqizil (mikrometrgacha) hududlari kiradi.

Eng katta qiziqish uyg'ongan atomlardan olinadigan optik atom emissiya spektrlaridir. Ularning qo'zg'alishi, odatda, gazdagi elektr zaryadsizlanishi yoki moddani gaz yondirgichlari, elektr yoyi yoki uchqun alangasi bilan qizdirish paytida radiatsiyaviy bo'lmagan kvant o'tishlari natijasida erishiladi.

Vodorod atomi va vodorodga o'xshash ionlar.

Vodorod atomi chiqaradigan (yutadigan) yorug'lik chastotasi formulasi (Z = 1):

Bu formulani eksperimental ravishda I.Ya. Balmer kvant mexanikasi yaratilishidan ancha oldin va nazariy jihatdan Bor tomonidan olingan

Spektrda spektral qatorlar deb ataladigan chiziqlar guruhlarini ajratish mumkin. Emissiya spektrlariga qo'llaniladigan har bir seriya turli darajadagi bir xil yakuniy darajaga o'tishga mos keladi.

Lyman seriyasi ultrabinafsha mintaqasida joylashgan. Spektrning ko'rinadigan va yaqin ultrabinafsha hududlarida yuqori energiya sathidan ikkinchi darajaga o'tish natijasida paydo bo'lgan Balmer seriyasi mavjud.

Paszek seriyasi infraqizil mintaqada joylashgan bo'lib, u yuqori energiya sathidan uchinchi darajaga o'tish paytida yuzaga keladi.

Atom vodorodining spektri past chastotalarda cheklanmagandek tuyulishi mumkin, chunki energiya darajalari n ortishi bilan o'zboshimchalik bilan yaqinlashadi. Biroq, aslida, bunday darajalar orasidagi o'tish ehtimoli shunchalik kichikki, amalda bu o'tishlar kuzatilmaydi.

Atom spektral analiz uchun emissiya spektrlari ham, yutilish spektrlari ham qo'llaniladi (absorbsion atom spektral tahlil). Tibbiy maqsadlarda emissiya tahlili asosan tana to'qimalaridagi mikroelementlarni, gigienik maqsadlarda konservalangan oziq-ovqatlardagi oz miqdordagi metall atomlarini, sud-tibbiyot maqsadlarida kadavra to'qimalaridagi ba'zi elementlarni va boshqalarni aniqlashga xizmat qiladi.

Bugun biz atomning energiya darajasi nima ekanligini, odam bu kontseptsiyaga duch kelganida va u qayerda qo'llanilishi haqida gapiramiz.

Maktab fizikasi

Odamlar tabiiy fanlar bilan birinchi marta maktabda uchrashadilar. Va agar o'qishning ettinchi yilida bolalar hali ham biologiya va kimyo bo'yicha yangi bilimlarni qiziqarli deb topsalar, o'rta maktabda ular ulardan qo'rqishni boshlaydilar. Atom fizikasining navbati kelganda, ushbu fan bo'yicha darslar allaqachon tushunarsiz vazifalar uchun faqat jirkanishni ilhomlantiradi. Ammo shuni esda tutish kerakki, endi barcha kashfiyotlar zerikarli bo'lib qoldi maktab fanlari, ahamiyatsiz hikoya va butun arsenal foydali ilovalar. Dunyo qanday ishlashini bilish, ichida qiziqarli narsa bo'lgan qutini ochishga o'xshaydi: siz doimo maxfiy bo'linmani topib, u erda boshqa xazina kashf qilishni xohlaysiz. Bugun biz asosiy fizikalardan biri, moddaning tuzilishi haqida gaplashamiz.

Boʻlinmas, kompozit, kvant

Qadimgi yunon tilidan "atom" so'zi "bo'linmas, eng kichik" deb tarjima qilingan. Bu fikr fan tarixining natijasidir. Qadimgi yunonlar va hindlarning ba'zilari dunyodagi hamma narsa mayda zarrachalardan iborat deb ishonishgan.

IN zamonaviy tarix fizik tadqiqotlarga qaraganda ancha oldin amalga oshirilgan. XVII-XVIII asr olimlari birinchi navbatda mamlakat, qirol yoki gersogning harbiy qudratini oshirishga harakat qilganlar. Va portlovchi moddalar va poroxlarni yaratish uchun ular nimadan iboratligini tushunish kerak edi. Natijada tadqiqotchilar ba'zi elementlarni ma'lum darajadan tashqari ajratib bo'lmasligini aniqladilar. Bu eng kichik tashuvchilar borligini anglatadi kimyoviy xossalari.

Lekin ular xato qilishdi. Atom kompozit zarracha bo'lib chiqdi va uning o'zgarish qobiliyati tabiatda kvantdir. Buni atomning energiya darajalaridagi o'tishlar ham tasdiqlaydi.

Ijobiy va salbiy

O'n to'qqizinchi asrning oxirida olimlar materiyaning eng kichik zarralarini o'rganishga yaqinlashdilar. Masalan, bu aniq edi: atomda ham musbat, ham manfiy zaryadlangan komponentlar mavjud. Ammo bu noma'lum edi: uning elementlarining joylashuvi, o'zaro ta'siri va vazn nisbati sir bo'lib qoldi.

Ruterford yupqa alfa zarralarining tarqalishi bo'yicha tajriba o'tkazdi, u atomlarning markazida og'ir musbat elementlar borligini va juda engil manfiy elementlarning chekkalarida joylashganligini aniqladi. Bu shuni anglatadiki, tashuvchilar har xil to'lovlar emas o'xshash do'st zarralar bir-biriga yopishadi. Bu atomlarning zaryadini tushuntirdi: ularga element qo'shilishi yoki bittasini olib tashlash mumkin edi. Butun sistemaning betarafligini ta'minlovchi muvozanat buzildi va atom zaryadga ega bo'ldi.

Elektronlar, protonlar, neytronlar

Keyinchalik ma'lum bo'ldiki, engil manfiy zarralar elektronlar, og'ir musbat yadro esa ikki turdagi nuklonlardan (protonlar va neytronlar) iborat. Protonlar neytronlardan faqat birinchisi musbat zaryadlangan va og'ir, ikkinchisi esa faqat massaga ega bo'lganligi bilan farq qilar edi. Yadroning tarkibi va zaryadini o'zgartirish qiyin: bu aql bovar qilmaydigan energiya talab qiladi. Ammo atom elektron tomonidan osonroq bo'linadi. Elektromanfiy atomlar ko'proq bo'lib, ular elektronni "olib qo'yishga" ko'proq tayyor, va kamroq elektronegativ atomlar uni "berish" ehtimoli ko'proq. Atomning zaryadi shunday hosil bo'ladi: agar elektronlar ortiqcha bo'lsa, u manfiy, agar kamlik bo'lsa, u ijobiydir.

Koinotning uzoq umri

Ammo bu atom tuzilishi olimlarni hayratda qoldirdi. O'sha davrlarda hukmron bo'lgan klassik fizikaga ko'ra, yadro atrofida doimiy ravishda harakatlanadigan elektron doimiy ravishda elektromagnit to'lqinlarni chiqarishi kerak edi. Bu jarayon energiyani yo'qotish degani bois, barcha salbiy zarralar tez orada tezligini yo'qotib, yadroga tushadi. Biroq, koinot juda uzoq vaqtdan beri mavjud va butun dunyo bo'ylab falokat hali sodir bo'lmagan. Materiyaning juda eski bo'lishining paradoksi paydo bo'ldi.

Bor postulatlari

Bor postulatlari nomuvofiqlikni tushuntira oldi. Keyin bu oddiygina bayonotlar, noma'lumga sakrashlar edi, ular hisoblar yoki nazariyalar bilan qo'llab-quvvatlanmaydi. Postulatlarga ko'ra, atomda elektronlarning energiya darajalari mavjud edi. Har bir manfiy zaryadlangan zarracha faqat shu darajalarda bo'lishi mumkin edi. Orbitallar orasidagi o'tish (darajalar shunday deyiladi) sakrash orqali amalga oshiriladi, bunda elektromagnit energiya kvanti chiqariladi yoki so'riladi.

Plankning kvantni kashf etishi keyinchalik elektronlarning bu harakatini tushuntirdi.

Nur va atom

O'tish uchun zarur bo'lgan energiya miqdori atomning energiya darajalari orasidagi masofaga bog'liq. Ular nima keyingi do'st bir-biridan chiqarilgan yoki so'rilgan kvant qanchalik katta bo'lsa.

Ma'lumki, yorug'lik elektromagnit maydonning kvantidir. Shunday qilib, atomdagi elektron yuqoriroqdan yuqoriroqqa o'tganda past daraja, u yorug'likni yaratadi. Bunday holda, qarama-qarshi qonun ham qo'llaniladi: elektromagnit to'lqin ob'ektga tushganda, u uning elektronlarini qo'zg'atadi va ular yuqori orbitalga o'tadi.

Bundan tashqari, atomning energiya darajalari har bir tur uchun individualdir kimyoviy element. Orbitallar orasidagi masofalar sxemasi vodorod va oltin, volfram va mis, brom va oltingugurt uchun farq qiladi. Shuning uchun har qanday ob'ektning (jumladan, yulduzlarning) emissiya spektrlarini tahlil qilish, unda qanday moddalar mavjudligini va qanday miqdorda ekanligini aniq aniqlaydi.

Bu usul aql bovar qilmaydigan darajada keng qo'llaniladi. Spektral tahlil qo'llaniladi:

• kriminologiyada;
• oziq-ovqat va suv sifatini nazorat qilishda;
• tovarlar ishlab chiqarishda;
• yangi materiallar yaratishda;
• texnologiyani takomillashtirishda;
• ilmiy tajribalarda;
• yulduzlarni o'rganishda.

Ushbu ro'yxat faqat atomdagi elektron darajalarning kashfiyoti qanchalik foydali bo'lganligini ko'rsatadi. Elektron darajalar eng qo'pol, eng katta. Yaxshiroq tebranish va hatto nozik aylanish darajalari mavjud. Ammo ular faqat murakkab birikmalar - molekulalar va qattiq moddalar uchun tegishli.

Aytish kerakki, yadroning tuzilishi hali to'liq o'rganilmagan. Masalan, nega protonlarning ma'lum soni aynan shu neytronlar soniga to'g'ri keladi, degan savolga javob yo'q. Olimlarning ta'kidlashicha, atom yadrosida elektron darajalarning ba'zi analoglari ham mavjud. Biroq, bu hali isbotlanmagan.

2. Atomlarning yadrolari va elektron qobiqlarining tuzilishi

2.6. Energiya darajalari va pastki darajalari

Ko'pchilik muhim xususiyat atomdagi elektronning holati elektronning energiyasi bo'lib, kvant mexanikasi qonunlariga ko'ra, doimiy ravishda emas, balki keskin o'zgaradi, ya'ni. faqat juda aniq qiymatlarni qabul qilishi mumkin. Shunday qilib, atomda energiya darajalari to'plami mavjudligi haqida gapirish mumkin.

Energiya darajasi- energiya qiymatlari o'xshash bo'lgan AOlar to'plami.

Energiya darajalari raqamlangan bosh kvant soni n, bu faqat musbat butun qiymatlarni qabul qilishi mumkin (n = 1, 2, 3, ...). n qiymati qanchalik katta bo'lsa, elektronning energiyasi va bu energiya darajasi shunchalik yuqori bo'ladi. Har bir atom cheksiz ko'p energiya darajalarini o'z ichiga oladi, ularning ba'zilari atomning asosiy holatidagi elektronlar bilan to'ldirilgan, ba'zilari esa yo'q (bu energiya darajalari atomning qo'zg'aluvchan holatida joylashgan).

Elektron qatlam- ma'lum energiya darajasida joylashgan elektronlar to'plami.

Boshqacha qilib aytganda, elektron qatlam elektronlarni o'z ichiga olgan energiya darajasidir.

Elektron qatlamlar to'plami atomning elektron qobig'ini hosil qiladi.

Xuddi shu elektron qatlam ichida elektronlar energiya jihatidan bir oz farq qilishi mumkin va shuning uchun ular buni aytishadi energiya darajalari energiya quyi darajalariga bo'linadi(pastki qatlamlar). Berilgan energiya darajasi bo'linadigan pastki darajalar soni energiya darajasining asosiy kvant soniga teng:

N (shahar atrofi) = n (daraja) . (2.4)

Pastki darajalar raqamlar va harflar yordamida tasvirlangan: raqam energiya darajasining soniga (elektron qatlam), harf pastki darajalarni tashkil etuvchi AO tabiatiga mos keladi (s -, p -, d -, f -), masalan: 2p -pastki darajali (2p -AO, 2p -elektron).

Shunday qilib, birinchi energiya darajasi (2.5-rasm) bitta pastki darajadagi (1s), ikkinchisi - ikkitadan (2s va 2p), uchinchisi - uchtadan (3s, 3p va 3d), to'rtinchisi to'rtdan (4s, 4p, 4d va 4f) va boshqalar. Har bir kichik daraja o'z ichiga oladi ma'lum raqam OAJ:

N(AO) = n2. (2.5)

Guruch. 2.5.

Birinchi uchta elektron qatlam uchun energiya darajalari va pastki darajalar diagrammasi

1. s-tipdagi AO barcha energetik darajalarda mavjud, p-tiplari ikkinchi energiya darajasidan, d-tipi - uchinchidan, f-tipi - to'rtinchidan va boshqalar paydo bo'ladi.

2. Berilgan energiya darajasida bitta s-, uchta p-, beshta d-, etti f-orbital bo'lishi mumkin. 3. Bosh kvant soni qancha katta bo'lsa, shuncha katta bo'ladi kattaroq o'lcham

y OAJ.

Bitta AO ikkitadan ortiq elektronni o'z ichiga olmaydi, shuning uchun ma'lum energiya darajasidagi elektronlarning umumiy (maksimal) soni AO sonidan 2 baravar ko'p va quyidagilarga teng:

N (e) = 2n 2 . (2.6) Shunday qilib, berilgan energiya darajasida maksimal 2 ta s tipidagi elektron, 6 ta p tipidagi elektron va 10 ta d tipidagi elektron bo'lishi mumkin. Hammasi bo'lib, birinchi energiya darajasida maksimal raqam

elektronlar 2, ikkinchisida - 8 (2 s-tip va 6 p-tip), uchinchisida - 18 (2 s-tip, 6 p-tip va 10 d-tip). Ushbu xulosalarni jadvalda umumlashtirish qulay. 2.2.

2.2-jadval

Bosh kvant soni, e soni o'rtasidagi bog'liqlik

(1887-1961) vodorod atomidagi elektronning holatini tasvirlash. U tebranish jarayonlari uchun matematik ifodalarni va de Broyl tenglamasini birlashtirib, quyidagi chiziqli differentsial bir jinsli tenglamani oldi: bu erda ps - to'lqin funktsiyasi (to'lqin harakati uchun amplitudaning analogi). klassik mexanika ), elektronning fazodagi harakatini to'lqinga o'xshash buzilish sifatida tavsiflovchi;, x, y z - koordinatalar, m - elektronning tinch massasi,- Plank doimiysi, E - umumiy energiya elektron, E p - elektronning potentsial energiyasi.

Shredinger tenglamasining yechimlari to‘lqin funksiyalaridir. Bir elektronli tizim (vodorod atomi) uchun ifoda potentsial energiya elektron oddiy shaklga ega:

E p = - e 2 / r,

Qayerda e- elektron zaryad, r- elektrondan yadrogacha bo'lgan masofa. Bunday holda, Shredinger tenglamasi aniq yechimga ega.

To'lqin tenglamasini yechish uchun uning o'zgaruvchilarini ajratish kerak. Buning uchun Dekart koordinatalarini almashtiring ), elektronning fazodagi harakatini to'lqinga o'xshash buzilish sifatida tavsiflovchi;, x, y sharsimon r, th, ph. Keyin to'lqin funktsiyasini uchta funktsiyaning mahsuloti sifatida ko'rsatish mumkin, ularning har biri faqat bitta o'zgaruvchini o'z ichiga oladi:

ψ( ), elektronning fazodagi harakatini to'lqinga o'xshash buzilish sifatida tavsiflovchi;,x,y) = R(r) Θ(θ) Φ(φ)

Funktsiya R(r) to’lqin funksiyasining radial komponenti, D(th) PH(ph) esa uning burchak komponentlari deyiladi.

To'lqin tenglamasini echishda butun sonlar kiritiladi - ular deyiladi kvant raqamlari(Asosiy narsa n, orbital l va magnit - koordinatalar, l). Funktsiya R(r) ga bog'liq n Va l, funksiya D(th) - dan l Va - koordinatalar, l, funksiya P(ph) - dan - koordinatalar, l .

Bir elektronli to'lqin funksiyasining geometrik tasviri atom orbitali. Bu elektronni topish ehtimoli yuqori bo'lgan atom yadrosi atrofidagi bo'shliq hududini ifodalaydi (odatda 90-95% ehtimollik qiymati tanlanadi). Bu so'z lotin tilidan olingan " orbita"(yo'l, yo'l), lekin N. Bor tomonidan atomning sayyoraviy modeli uchun taklif qilingan elektronning atom atrofidagi traektoriyasi (yo'li) tushunchasi bilan mos kelmaydigan boshqa ma'noga ega. Atomning konturlari. orbital - bitta elektron uchun to'lqin tenglamasini echish natijasida olingan to'lqin funktsiyasining grafik ko'rinishi.

Kvant raqamlari

To'lqin tenglamasini yechishda paydo bo'ladigan kvant raqamlari kvant kimyoviy tizimining holatlarini tavsiflash uchun xizmat qiladi. Har bir atom orbitali uchta kvant sonlar to'plami bilan tavsiflanadi: asosiy n, orbital l va magnit - koordinatalar, l .

Bosh kvant soni n atom orbitalining energiyasini xarakterlaydi. U har qanday musbat butun qiymatni qabul qilishi mumkin. Qiymat qanchalik baland n, energiya qanchalik yuqori bo'lsa va orbital hajmi shunchalik katta bo'ladi. Vodorod atomi uchun Shredinger tenglamasini yechish shuni beradi keyingi ifoda elektron energiyasi uchun:

E= −2p 2 men 4 / n 2 - elektronning tinch massasi, 2 = −1312,1 / n 2 (kJ/mol)

Shunday qilib, asosiy kvant sonining har bir qiymati elektron energiyasining ma'lum bir qiymatiga mos keladi. Muayyan qiymatlarga ega energiya darajalari n ba'zan harflar bilan ko'rsatilgan K, L, M, N... (uchun n = 1, 2, 3, 4...).

Orbital kvant soni l xarakterlaydi energiya pastki darajasi. Turli orbital kvant raqamlariga ega bo'lgan atom orbitallari energiya va shaklda farqlanadi. Hamma uchun n ruxsat etilgan butun son qiymatlari l 0 dan ( n−1). Qadriyatlar l= 0, 1, 2, 3... energiya pastki darajalariga mos keladi s, p, d, f.

Shakl s- sharsimon orbitallar; p-orbitallar dumbbelllarga o'xshaydi; d- Va f-orbitallar murakkabroq shaklga ega.

Magnit kvant soni - koordinatalar, l kosmosdagi atom orbitallarining yo'nalishi uchun javobgardir. Har bir qiymat uchun l magnit kvant soni - koordinatalar, l−l dan +l gacha (jami 2 ta) butun qiymatlarni qabul qilishi mumkin l+ 1 qiymat). Masalan, r-orbitallar ( l= 1) uchta usulda yo'naltirilishi mumkin ( - koordinatalar, l = -1, 0, +1).

Muayyan orbitalni egallagan elektron ushbu orbitalni tavsiflovchi uchta kvant soni va to'rtinchi kvant soni bilan tavsiflanadi ( aylanish) - koordinatalar, s, elektron spinni tavsiflovchi - bu elementar zarraning xususiyatlaridan biri (massa va zaryad bilan birga). Spin- elementar zarracha impulsining ichki magnit momenti. Garchi bu so'z inglizchada " aylanish", spin zarrachaning har qanday harakati bilan bog'liq emas, balki kvant xarakterga ega. Elektronning spini spin kvant soni bilan tavsiflanadi. - koordinatalar, s, bu +1/2 va -1/2 ga teng bo'lishi mumkin.

Atomdagi elektron uchun kvant raqamlari:

Energiya darajalari va pastki darajalari

Bir xil qiymatga ega bo'lgan atomdagi elektronning holatlar to'plami n chaqirdi energiya darajasi. Atomning asosiy holatida elektronlar joylashgan darajalar soni element joylashgan davr soniga to'g'ri keladi. Ushbu darajalarning raqamlari raqamlar bilan belgilanadi: 1, 2, 3,... (kamroq - harflar bilan). K, L, M, ...).

Energiya pastki darajasi- umumiylik energiya holatlari atomdagi elektron, kvant sonlarining bir xil qiymatlari bilan tavsiflanadi n Va l. Pastki darajalar harflar bilan belgilanadi: s, p, d, f...Birinchi energetik sathda bitta pastki daraja, ikkinchisida ikkita pastki daraja, uchinchisida uchta pastki daraja va hokazo.

Agar diagrammada orbitallar hujayralar (kvadrat ramkalar) shaklida va elektronlar - strelkalar (yoki ↓) shaklida belgilangan bo'lsa, unda siz asosiy kvant soni energiya darajasini (EL), kombinatsiyani tavsiflashini ko'rishingiz mumkin. asosiy va orbital kvant sonlari - energiya pastki darajasi (ESL) ), asosiy, orbital va magnit kvant sonlari to'plami - atom orbitali, va barcha to'rt kvant soni elektrondir.

Har bir orbital o'ziga xos energiyaga ega. Orbital belgi energiya darajasining raqamini va tegishli pastki darajaga mos keladigan harfni o'z ichiga oladi: 1 s, 3p, 4d va hokazo. Har bir energiya darajasi uchun, ikkinchidan boshlab, uchta teng energiya mavjudligi mumkin p-uchta o'zaro perpendikulyar yo'nalishda joylashgan orbitallar. Har bir energiya darajasida, uchinchidan boshlab, beshtasi bor d- murakkabroq to'rt bo'lakli shaklga ega bo'lgan orbitallar. To'rtinchi energiya darajasidan boshlab, yanada murakkab shakllar paydo bo'ladi. f-orbitallar; ularning har bir darajasida ettitasi bor. Ustida elektron zaryadi taqsimlangan atom orbital ko'pincha elektron bulut deb ataladi.

Elektron zichligi

Elektron zaryadining fazoda taqsimlanishi elektron zichligi deyiladi. Elementar hajmda elektronni topish ehtimoliga asoslanib d V|ps| ga teng 2 d V, elektron zichligining radial taqsimot funksiyasini hisoblash mumkin.

Elementar hajm sifatida d qalinlikdagi sferik qatlam hajmini olsak r masofada r atom yadrosidan, keyin

d V= 4p r 2 d r,

va atomda elektronni topish ehtimolining radial taqsimot funksiyasi (elektron zichligi ehtimoli) ga teng.

V r= 4p r 2 |ps| 2 d r

Qalinligi d bo'lgan sferik qatlamda elektronni aniqlash ehtimolini ifodalaydi r qatlamning atom yadrosidan ma'lum masofada.

1 uchun s-orbitallar, yadrodan 52,9 nm masofada joylashgan qatlamda elektronni aniqlash ehtimoli maksimaldir. Atom yadrosidan uzoqlashganda, elektronni topish ehtimoli nolga yaqinlashadi. 2-holatda s-orbitallar, ikkita maksimal va tugun nuqtasi egri chiziqda paydo bo'ladi, bu erda elektronni aniqlash ehtimoli nolga teng. IN umumiy holat kvant raqamlari bilan tavsiflangan orbital uchun n Va l, radial ehtimollik taqsimoti funksiyasi grafigidagi tugunlar soni ( ga teng) n − l − 1).

Ushbu maqolada energiya darajalari qachon aniqlanganligi tushuntiriladi. Shuningdek, ular qanday tushuntirilgan va moddaning atomdagi elektron energiyasini kvantlash kabi xususiyatidan qanday foydalaniladi.

Chaqmoq va marmar

Moddalarning tuzilishi insoniyatni qiziqtirdi, chunki oziq-ovqat haqida qayg'urmasdan mavhum savollar berish mumkin bo'ldi. Chaqmoq, suv toshqini va qurg'oqchilik kabi dahshatli hodisalar dahshatga sabab bo'ldi. Atrofda nima sodir bo'layotganini tushuntira olmaslik qurbonlik talab qiladigan g'azablangan xudolar g'oyasini keltirib chiqardi. Va har kuni odamlar keyingi kataklizmga tayyor bo'lish uchun qandaydir tarzda ob-havoni bashorat qilishni o'rganishga intilishdi. Qadimgi yunonlar moddalar juda kichik zarrachalardan iborat ekanligini tushunishgan. Ular ko'p odamlar o'nlab yillar davomida bosib o'tgan marmar zinapoyalar shaklini o'zgartirayotganini payqashdi, ya'ni har bir oyoq o'zi bilan toshning bir qismini oladi. Bu kashfiyotdan energiya darajalari nima ekanligi haqidagi kontseptsiyaga qadar u vaqt va bilim miqdori jihatidan juda uzoqdir. Biroq, uch ming yildan ko'proq vaqt oldin aytilgan aynan o'sha mulohazalar ilm-fanimizni zamonaviy ko'rinishga olib keldi.

Ruterford va Bor

Yigirmanchi asrning boshlarida, elektr bilan tajribalar tufayli, moddaning barcha kimyoviy xossalariga ega bo'lgan minimal zarracha atom ekanligi allaqachon ma'lum edi. Umuman olganda, u elektr neytral edi, lekin u ijobiy va salbiy elementlarni o'z ichiga olgan. Olimlar ularning qanday taqsimlanishini aniqlashlari kerak edi. Bir nechta modellar taklif qilindi, ulardan biri hatto "mayizli bulochka" deb nomlangan. Rezerfordning mashhur tajribasi shuni ko'rsatdiki, atomning markazida og'ir musbat yadro bor, manfiy zaryad esa atrof-muhitda aylanadigan kichik yorug'lik elektronlarida to'plangan. Atomdagi elektronlarning energiya darajalari va ularni kashf qilish jarayoni fizikani yutuqga olib keldi. Maksvell tenglamalariga ko'ra, har qanday harakatlanuvchi zaryadlangan jism kosmosga uzluksiz energiya chiqaradigan maydon hosil qiladi. Shunday qilib, savol tug'ildi: nima uchun elektronlar atomlarda aylanadi, lekin chiqarilmaydi va energiyani yo'qotib, yadroga tushmaydi? Bor postulatlari tufayli elektronlar atomda ma'lum energiya darajalarini egallashi va bu barqaror orbitalarda bo'lib, ular energiya yo'qotmasligi aniq bo'ldi. Ushbu nazariy tezis jismoniy asoslashni talab qildi.

Plank va lazerlar

Maks Plank ba'zi tenglamalar yechimini soddalashtirishga urinib, kvant tushunchasini kiritganida, fizika inqilobni boshdan kechirdi. yangi davr. U klassik bo'lmagan davr deb ataladi va insoniyat hayotini tubdan o'zgartirgan bir qator muhim kashfiyotlar bilan bog'liq. Tibbiyotdagi penitsillin singari, fizikada kvant butun bilim tizimini inqilob qildi. Shunisi e'tiborga loyiqki, yangi formulalar inkor etmadi, aksincha, avvalgi xulosalarni tasdiqladi. Volumetrik jismlar, makro-masofalar va oddiy tezliklar sharoitida ular tanish va tushunarli qonunlarga aylandi. Kvant fizikasi ko'plab savollarga javob berishga yordam berdi, shu jumladan atomdagi elektronlarning energiya darajalari nima uchun. Elektronlarning bir orbitadan ikkinchi orbitaga sakrashi aniq bo'ldi. Bunday holda, sakrash yo'nalishiga qarab, energiyaning yutilishi yoki emissiyasi sodir bo'ldi. Moddalarning ko'pgina xossalari ana shu keskin o'tishlarga asoslanadi. Atomlarda energiya darajalari mavjudligi tufayli lazerlar ishlaydi, spektroskopiya mavjud va yangi materiallar yaratish mumkin.

To'lqin va foton

Biroq, energiya kvantlash hodisasining o'zi nima uchun ba'zi darajalar barqaror ekanligini va atomdagi orbitadan yadrogacha bo'lgan masofa nima uchun bog'liqligini aniq tushuntirib bera olmaydi. Noan'anaviy g'oya yordamga keldi. Hammasi bir xil ob'ektlarda o'tkazilgan turli tajribalar natijalari o'rtasidagi nomuvofiqlik bilan boshlandi. Ba'zi hollarda ular massaga ega bo'lgan va shuning uchun inertsiyaga ega bo'lgan zarralar kabi harakat qilishdi: ular plitalarni siljitdi, pichoqlarni aylantirdi. Boshqalarida, bir-birini kesish, bekor qilish yoki kuchaytirishi mumkin bo'lgan to'lqinlar to'plami sifatida (masalan, fotonlar, yorug'lik tashuvchilar). Natijada, olimlar tan olishlari kerak edi: elektronlar ham zarralar, ham to'lqinlardir. To'lqin-zarracha ikkilik deb ataladigan narsa atomning energiya darajalarini tushuntirdi. To'lqin kabi, aylana bo'ylab harakatlanadigan elektron o'z-o'zidan ustun turadi. Shunday qilib, agar "bosh" ning maksimali "dumning" minimaliga to'g'ri kelsa, to'lqin pasayadi. Markazdan ma'lum masofalarda maksimallar bir-biriga to'g'ri keladi va elektron doimiy ravishda o'zini qo'llab-quvvatlab, atomning energiya darajalarini yaratgandek mavjud bo'lishi mumkin.

Kimyo va elektron

Moddalarning kimyoviy xossalarini o'rganish jarayonida ularning har birining o'ziga xos darajalari borligi ma'lum bo'ldi. Ya'ni, geliy vodorodga qaraganda boshqacha rasmga ega, garchi ularning atom raqamlari faqat bitta bilan farq qiladi. Kimyoviy elementlar atomlarining energiya darajalari ularning umumiy soniga bog'liq. Ya'ni, ma'lum bo'lishicha, yuqori elektronlar pastki sathlarni "bosadi" va ularni siljishga majbur qiladi. Atomning energiya qobig'ining tuzilishi o'z qonunlariga ega, ular to'rtta asosiy kvant soni bilan belgilanadi. Ularni bilish kimyoviy elementning har bir turi uchun elektronlarning energiya darajasini hisoblash oson.