Квантовая физика примеры решения задач Теория электрических цепей Основы теории электромагнитного поля

Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел

О периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

В основе систематики заполнения электронных состояний в атомах лежит принцип Паули. Это позволяет объяснить Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева (1869) — фундаментальный закон природы — основу современной химии, атомной и ядерной физики. Понимание периодической системы элементов основано на идее об оболочечной структуре электронного облака атома. Процесс застройки первых 22-х элементов периодической системы представлен в таблице 13.3. Каждый следующий атом получается из предыдущего добавлением заряда ядра на единицу (е) и добавлением одного электрона, который помещают в разрешенное принципом Паули состояние с наименьшей энергией. Так, третий элемент (литий) имеет, кроме заполненной K-оболочки, один электрон в подоболочке 2s. Этот электрон связан с ядром слабее других и является внешним (валентным, оптическим). Основное состояние этого электрона характеризуется значением п = 2.

 Табл. 13.3 Вынужденное  излучение атомов. Лазеры Квантовая теория равновесного излучения

1. Распределение электронов по состояниям называют электронной конфигурацией. Их обозначают символически, например, так:

ls2 2s2 2p6 3s.

Это означает, что в атоме имеются два ls-электрона, два 2s2-электрона, шесть 2р-электронов и один 3s -электрон. Из таблицы 13.3 видно, что это — электронная конфигурация атома Na.

2. Оболочку (или подоболочку), полностью заполненную электронами, называют замкнутой. Электроны в каждой подоболочке называют эквивалентными, у них одинаковые значения nиl.

 3. Вплоть да атома калия К последовательность заполнения оболочек и подоболочек имеет «идеальный» характер. Первый «сбой» происходит с атомом К: внешний электрон занимает, вместо Зd-состояния, 4s. Подобное — не единственный случай в периодической системе, и связано это с тем, что такие конфигурации оказываются более выгодными в энергетическом отношении.

 4. Наблюдаемая периодичность химических и ряда физических свойств атомов объясняется поведением внешних валентных электронов. Выяснилось, что эта периодичность связана с определенной периодичностью электронной конфигурации атомов, в частности, с конфигурацией внешних электронов.

 5. В правой колонке табл. 13.3 приведены основные термы атомов. Для первых четырех атомов определение основного состояния не вызывает трудности — для этого достаточно принципа Паули. Но уже для бора В возникает неопределенность: одному р-электрону соответствует l = 1 и s = 1/2, откуда j = 3/2 или 1/2, т. е. два состояния: Р3/2 и P1/2. Какое из них является основным, можно решить лишь с помощью правил Хунда.

Правила Хунда. Это полуэмпирические правила, относящиеся к системе эквивалентных электронов (у них п и l одинаковы), т. е. для электронов, находящихся в одной подоболочке. Этих правил два:

 1. Минимальной энергией данной электронной конфигурации обладает терм с наибольшим возможным значением спина S и с наибольшим возможным при таком S значении L.

 2. При этом квантовое число J = |L – S|, если подоболочка заполнена менее, чем наполовину, и J = L + S в остальных случаях.


Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел