Презентация Строение электронных оболочек. Объяснение периодической системы Д. И. Менделеева. онлайн

Содержание слайда: Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц 16 (0). Строение электронных оболочек. Объяснение периодической системы Д.И.Менделеева.

Содержание слайда:

Содержание слайда: В 1869г. Д. И. Менделеевым был открыт периодический закон и построена периодическая система элементов, объяснение которой – одна из важнейших задач атомной физики. Сформулируем прежде всего те принципы, на которых основано это объяснение: 1). Состояние электрона в атоме полностью определяется четырьмя квантовыми числами: главным квантовым числом n = 1, 2, 3, …; орбитальным квантовым числом l = 0, 1, …, n-1; магнитным квантовым числом m = 0, ±1, ±2, …, ±l; магнитным спиновым квантовым числом ms = +1/2, -1/2.

Содержание слайда: 2) Принцип Паули: В атоме может существо-вать только один электрон в состоянии, характеризуемом данными значениями четырех квантовых чисел; т.е. два электрона в одном и том же атоме должны различаться значениями по крайней мере одного квантового числа. 2) Принцип Паули: В атоме может существо-вать только один электрон в состоянии, характеризуемом данными значениями четырех квантовых чисел; т.е. два электрона в одном и том же атоме должны различаться значениями по крайней мере одного квантового числа. 3) Атом (как и любая система) устойчив тогда, когда находится в состоянии с наименьшей возможной энергией.

Содержание слайда: Совокупность электронов, обладающих одина-ковым главным квантовым числом образует слой. Слои имеют названия : Совокупность электронов, обладающих одина-ковым главным квантовым числом образует слой. Слои имеют названия : Совокупность электронов, имеющих одинаковые n и l, образует оболочку. Названия оболочек :

Содержание слайда: Принцип Паули ограничивает число электронов на той или иной электронной оболочке. Дейст-вительно, электроны в невозбужденном атоме стремятся перейти в состояние с наименьшей энергией (в устойчивое состояние), которое со-ответствует минимальным значениям главного и орбитального чисел. Однако возможность та-кого перехода ограничена принципом Паули. Поэтому электроны в невозбужденном атоме находятся в таких состояниях, при которых энергия атома является наименьшей, но распределение по состояниям удовлетворяет принципу Паули. Принцип Паули ограничивает число электронов на той или иной электронной оболочке. Дейст-вительно, электроны в невозбужденном атоме стремятся перейти в состояние с наименьшей энергией (в устойчивое состояние), которое со-ответствует минимальным значениям главного и орбитального чисел. Однако возможность та-кого перехода ограничена принципом Паули. Поэтому электроны в невозбужденном атоме находятся в таких состояниях, при которых энергия атома является наименьшей, но распределение по состояниям удовлетворяет принципу Паули.

Содержание слайда: Установим теперь, сколько электронов может находится на оболочке и в атоме. Т.к. число ms может иметь два значения, то в атоме может быть два электрона с одинако-выми числами n, l, m. При заданном l квантовое число m может иметь (2 l +1) значений, следовательно, на оболоч-ке может быть 2(2 l +1) электронов, т.е.

Содержание слайда: При заданном n квантовое число l может прини-мать n значений: 0, 1, 2, …, n -1. Поэтому мак-симальное число электронов в слое можно вы-разить суммой арифметической прогрессии: При заданном n квантовое число l может прини-мать n значений: 0, 1, 2, …, n -1. Поэтому мак-симальное число электронов в слое можно вы-разить суммой арифметической прогрессии: (16.1)

Содержание слайда: Конфигурация электронных оболочек атомов за-писывается с помощью следующих обозначе-ний. Каждая оболочка обозначается соответст-вующим n и буквой, обозначающей l, а индек-сом справа вверху обозначается число элект-ронов. Например: Конфигурация электронных оболочек атомов за-писывается с помощью следующих обозначе-ний. Каждая оболочка обозначается соответст-вующим n и буквой, обозначающей l, а индек-сом справа вверху обозначается число элект-ронов. Например: Водород 1s1 Гелий 1s2 Литий 1s22s1 Углерод 1s22s22p2 Кислород 1s22s22p4 Аргон 1s22s22p63s23p6

Содержание слайда: Итак, принцип Паули дает следующую картину построения электронной оболочки атомов. Каж-дый вновь присоединяемый электрон связыва-ется в состоянии с наименьшими возможными квантовыми числами. Эти электроны постепен-но заполняют слой с одним и тем же главным квантовым число n. Когда построение слоя за-канчивается, получается устойчивая структура (инертный газ). Следующий электрон начинает заполнение уже нового слоя и т.д. Эта идеаль-ная схема соблюдается до 18 элемента табли-цы Менделеева (до аргона). Итак, принцип Паули дает следующую картину построения электронной оболочки атомов. Каж-дый вновь присоединяемый электрон связыва-ется в состоянии с наименьшими возможными квантовыми числами. Эти электроны постепен-но заполняют слой с одним и тем же главным квантовым число n. Когда построение слоя за-канчивается, получается устойчивая структура (инертный газ). Следующий электрон начинает заполнение уже нового слоя и т.д. Эта идеаль-ная схема соблюдается до 18 элемента табли-цы Менделеева (до аргона). Начиная с 19-го элемента (калия) наблюдаются отступления от идеальной схемы. Причина этих отступлений заключается в том, что идеальная схема не учитывает взаимодействия электро-нов между собой.

Содержание слайда: Например, 19-ый электрон калия должен (соглас-но идеальной схеме) находиться в 3d-оболоч-ке. Однако химические и спектроскопические данные указывают на то, что этот электрон на-ходится в 4s-оболочке. Детальный расчет с учетом взаимодействия электронов показыва-ет, что состояние 3d действительно отвечает большей энергии, чем 4s. Например, 19-ый электрон калия должен (соглас-но идеальной схеме) находиться в 3d-оболоч-ке. Однако химические и спектроскопические данные указывают на то, что этот электрон на-ходится в 4s-оболочке. Детальный расчет с учетом взаимодействия электронов показыва-ет, что состояние 3d действительно отвечает большей энергии, чем 4s.

Содержание слайда: По этой же причине 20-ый электрон кальция тоже По этой же причине 20-ый электрон кальция тоже присоединяется в 4s-состояние, а нормальное за- полнение 3d-оболочки начинается у скандия. Аналогичное нарушение нормального порядка наблюдаетс у рубидия, цезия, франция. Другое отступление от нормального порядка за- полнения слоев имеет место у редких земель (Z = 58 - 71): идет заполнение 4f-оболочки после того, как заполнены оболочки 5s, 5p и 6s.

Содержание слайда: Таким образом, атомная физика полностью объяс- Таким образом, атомная физика полностью объяс- нила периодическую таблицу элементов. Причем теория не только объяснила, но и уточнила табли- цу. До 1922г. элемент Z=72 не был известен. Он был предсказан Менделеевым, и ему было остав- лено место в группе редких земель. Однако по те- оретическим соображениям, группа редких земель должна содержать 14 элементов (т.к. на 4f оболоч- ке может находиться 14 элементов), т.е. должна заканчиваться 71-м элементом, а элемент Z=72 должен быть аналогом циркония и титана. На это впервые указал Н. Бор, и вскоре элемент 72 (гаф- ний) был открыт в циркониевых рудах и по своим химическим и оптическим свойствам оказался ана- логом титана и циркония, а не элементов группы редких земель.