Danes bomo govorili o tem, kakšna je energijska raven atoma, kdaj se človek sreča s tem konceptom in kje se uporablja.
Šolska fizika
Z naravoslovjem se ljudje prvič srečamo v šoli. In če so otrokom v sedmem letu študija nova znanja iz biologije in kemije še zanimiva, se jih v srednji šoli začnejo bati. Ko pride na vrsto atomska fizika, pouk te discipline že vzbuja samo gnus do nerazumljivih nalog. Vendar je vredno zapomniti, da imajo vsa odkritja, ki so se zdaj spremenila v dolgočasne šolske predmete, netrivialno zgodovino in cel arzenal uporabnih aplikacij. Ugotoviti, kako svet deluje, je kot odpreti škatlo, v kateri je nekaj zanimivega: vedno si želite najti skrivni predal in tam odkriti še en zaklad. Danes se bomo pogovarjali o eni izmed temeljnih ved fizike, strukturi snovi.
Nedeljivo, sestavljeno, kvantno
Iz starogrškega jezika je beseda "atom" prevedena kot "nedeljiv, najmanjši". Ta ideja je posledica zgodovine znanosti. Nekateri stari Grki in Indijci so verjeli, da je vse na svetu sestavljeno iz drobnih delcev.
V moderni zgodovini so fizikalne raziskave potekale veliko prej. Učenjaki sedemnajstega in osemnajstega stoletja so si prizadevali predvsem za povečanje vojaške moči države, kralja ali vojvode. In da bi ustvarili eksplozive in smodnik, je bilo treba razumeti, iz česa so sestavljeni. Posledično so raziskovalci ugotovili, da nekaterih elementov ni mogoče ločiti prek določene ravni. To pomeni, da so nosilci kemičnih lastnosti najmanjši.
Vendar so se motili. Izkazalo se je, da je atom sestavljen delec in njegova sposobnost spreminjanja je kvantne narave. To dokazujejo tudi prehodi v energijskih nivojih atoma.
Pozitiven in negativen
Konec devetnajstega stoletja so se znanstveniki približali študiju najmanjših delcev snovi. Na primer, jasno je bilo: atom vsebuje tako pozitivno kot negativno nabite komponente. Vendar je bilo neznano: lokacija, interakcija in razmerje teže njegovih elementov so ostali skrivnost.
Rutherford je izvedel poskus sipanja tankih delcev alfa. Ugotovil je, da so v središču atomov težki pozitivni elementi, na robovih pa zelo lahki negativni. To pomeni, da so nosilci različnih nabojev delci, ki si med seboj niso podobni. To je pojasnilo naboj atomov: element jim je bilo mogoče dodati ali enega odstraniti. Ravnovesje, ki je ohranjalo nevtralnost celotnega sistema, je bilo porušeno in atom je dobil naboj.
Elektroni, protoni, nevtroni
Kasneje se je izkazalo, da so lahki negativni delci elektroni, težko pozitivno jedro pa je sestavljeno iz dveh vrst nukleonov (protonov in nevtronov). Protoni so se od nevtronov razlikovali le po tem, da so bili prvi pozitivno nabiti in težki, drugi pa le maso. Spreminjanje sestave in naboja jedra je težko: zahteva neverjetno energijo. Toda atom veliko lažje razdeli elektron. Obstaja več elektronegativnih atomov, ki so bolj pripravljeni "odvzeti" elektron, in manj elektronegativnih atomov, za katere je bolj verjetno, da ga "oddajo". Tako nastane naboj atoma: če je elektronov presežek, potem je negativen, če jih primanjkuje, pa pozitiven.
Dolgo življenje vesolja
Toda ta atomska struktura je znanstvenike zmedla. Po takrat veljavni klasični fiziki naj bi elektron, ki se nenehno giblje okoli jedra, nenehno oddajal elektromagnetne valove. Ker ta proces pomeni izgubo energije, bi vsi negativni delci kmalu izgubili hitrost in padli na jedro. Vendar pa vesolje obstaja že zelo dolgo in svetovna katastrofa se še ni zgodila. Nastajal je paradoks prestare materije.
Bohrovi postulati
Bohrovi postulati so lahko razložili neskladje. Potem so bile to zgolj izjave, skoki v neznano, ki niso bili podprti z izračuni ali teorijo. Po postulatih so bile v atomu energijske ravni elektronov. Vsak negativno nabit delec je lahko le na teh ravneh. Prehod med orbitalami (kot nivoje imenujemo) se izvede s skokom, pri katerem se sprosti ali absorbira kvant elektromagnetne energije.
Planckovo odkritje kvanta je kasneje pojasnilo to obnašanje elektronov.
Svetloba in atom
Količina energije, ki je potrebna za prehod, je odvisna od razdalje med energijskima nivojema atoma. Bolj kot sta drug od drugega, večji je oddani ali absorbirani kvant.
Kot veste, je svetloba kvant elektromagnetnega polja. Tako, ko se elektron v atomu premakne z višje na nižjo raven, ustvari svetlobo. V tem primeru velja tudi nasprotni zakon: ko elektromagnetno valovanje pade na predmet, vzbudi njegove elektrone in ti se premaknejo v višjo orbitalo.
Poleg tega so energijske ravni atoma individualne za vsako vrsto kemičnega elementa. Vzorec razdalj med orbitalami se razlikuje za vodik in zlato, volfram in baker, brom in žveplo. Zato analiza emisijskih spektrov katerega koli predmeta (vključno z zvezdami) nedvoumno določa, katere snovi so v njem prisotne in v kakšnih količinah.
Ta metoda se uporablja neverjetno široko. Spektralna analiza se uporablja:
- v kriminologiji;
- pri kontroli kakovosti hrane in vode;
- v proizvodnji blaga;
- pri ustvarjanju novih materialov;
- pri izboljšanju tehnologije;
- v znanstvenih poskusih;
- pri študiju zvezd.
Ta seznam le približno pokaže, kako koristno se je izkazalo odkritje elektronskih ravni v atomu. Elektronski nivoji so najgrobejši, največji. Obstajajo finejše vibracijske in še finejše rotacijske ravni. Vendar so pomembni samo za kompleksne spojine - molekule in trdne snovi.
Povedati je treba, da struktura jedra še ni v celoti raziskana. Na primer, ni odgovora na vprašanje, zakaj določeno število protonov ustreza točno temu številu nevtronov. Znanstveniki domnevajo, da atomsko jedro vsebuje tudi nekaj analognih elektronskih ravni. Vendar to še ni dokazano.
2. Zgradba jeder in elektronskih lupin atomov
2.6. Energijske ravni in podravni
Najpomembnejša značilnost stanja elektrona v atomu je energija elektrona, ki se po zakonih kvantne mehanike ne spreminja zvezno, ampak nenadoma, tj. lahko sprejme le zelo specifične vrednosti. Tako lahko govorimo o prisotnosti niza energijskih ravni v atomu.
Raven energije- niz AO s podobnimi energijskimi vrednostmi.
Energijske ravni so oštevilčene z uporabo glavno kvantno število n, ki lahko zavzame samo pozitivna cela števila (n = 1, 2, 3, ...). Večja kot je vrednost n, večja je energija elektrona in ta energijski nivo. Vsak atom vsebuje neskončno število energijskih ravni, od katerih so nekatere naseljene z elektroni v osnovnem stanju atoma, nekatere pa ne (te energijske ravni so naseljene v vzbujenem stanju atoma).
Elektronski sloj- niz elektronov, ki se nahajajo na danem energijskem nivoju.
Z drugimi besedami, elektronska plast je energijska raven, ki vsebuje elektrone.
Kombinacija elektronskih plasti tvori elektronsko ovojnico atoma.
Znotraj istega elektronskega sloja se elektroni lahko nekoliko razlikujejo po energiji, zato tako pravijo energijske ravni so razdeljene na energetske podravni(podsloji). Število podravni, na katere je razdeljen dani energijski nivo, je enako številu glavnega kvantnega števila energijskega nivoja:
N (predmestje) = n (raven) . (2,4)
Podravni so prikazani s številkami in črkami: številka ustreza številki energijske ravni (elektronske plasti), črka ustreza naravi AO, ki tvori podravni (s -, p -, d -, f -), na primer: 2p -podravni (2p -AO, 2p -elektron).
Tako je prva energijska raven (slika 2.5) sestavljena iz ene podravni (1s), druga - iz dveh (2s in 2p), tretja - iz treh (3s, 3p in 3d), četrta iz štirih (4s, 4p, 4d in 4f), itd. Vsaka podnivoj vsebuje določeno število delniških družb:
N(AO) = n2. (2,5)
riž. 2.5. Diagram energijskih nivojev in podravni za prve tri elektronske plasti
1. AO s-tipa so prisotni na vseh energijskih ravneh, p-tipi se pojavijo od druge energijske ravni, d-tipa - od tretje, f-tipa - od četrte itd.
2. Na danem energijskem nivoju je lahko ena s-, tri p-, pet d-, sedem f-orbital.
3. Večje kot je glavno kvantno število, večja je velikost JSC.
Ker en AO ne more vsebovati več kot dveh elektronov, je skupno (največje) število elektronov na dani ravni energije 2-krat večje od števila AO in je enako:
N (e) = 2n 2 . (2,6)
Tako sta lahko na danem energijskem nivoju največ 2 elektrona tipa s, 6 elektronov tipa p in 10 elektronov tipa d. Skupno je na prvi energijski ravni največje število elektronov 2, na drugi - 8 (2 s-tipa in 6 p-tipa), na tretjem - 18 (2 s-tipa, 6 p-tipa in 10 d-tip). Primerno je povzeti te zaključke v tabeli. 2.2.
Tabela 2.2
Povezava med glavnim kvantnim številom, številom e
V naši študiji smo izvedeli, koliko je največje število elektronov v vsaki orbitali, na različnih energijskih ravneh in podnivojih.
Kaj še morate vedeti, da ugotovite strukturo elektronske lupine atoma katerega koli elementa? Če želite to narediti, morate poznati vrstni red, v katerem so orbitale napolnjene z elektroni.
Vrstni red, v katerem elektroni zapolnjujejo atomske orbitale, je določen z načelom najmanjše energije (načelo minimalne energije):
Osnovno (stabilno) stanje atoma- To je stanje, za katerega je značilna minimalna energija. Zato elektroni zapolnijo orbitale po naraščajoči energiji.
Orbitale istega podravni imajo enako energijo.
Na primer, tri orbitale danega p-podravni imajo enako energijo.
Zato načelo najmanjše energije določa vrstni red polnjenja energijskih podravni: elektroni polnijo energijske podravni po vrstnem redu naraščanja svoje energije.
Kot kaže spodnja slika, ima najmanjšo energijo 15. podnivo, ki se prvi napolni z elektroni.
Nato se z elektroni zaporedno napolnijo naslednji podnivoji: 2s, 2p, 3s, 3p. Po podravni 3p elektroni zapolnijo 4. podnivoj, saj ima manjšo energijo kot podnivoj 3d.
To je razloženo z dejstvom, da je energija podravni določena z vsoto glavnih in sekundarnih kvantnih števil, to je vsota (n + l). Manjša kot je ta količina, nižja je energija podravni. Če so vsote n + l enaki za različne podravni, potem je njihova energija nižja, čim manjše je glavno kvantno število n. Navedena pravila je leta 1951 oblikoval sovjetski znanstvenik V. M. Klechkovsky ( Pravila Klečkovskega).
Podravni, prikazani na sliki, lahko sprejmejo 112 elektronov. Atomi znanih elementov vsebujejo od 1 do 110 elektronov. Zato drugi podnivoji v osnovnih stanjih atomov niso zapolnjeni z elektroni.
Nazadnje je treba še razjasniti vprašanje, v kakšnem vrstnem redu elektroni zapolnjujejo orbite enega podravni. Če želite to narediti, morate spoznati Hundovo pravilo:
Na eni podravni so elektroni razporejeni tako, da je absolutna vrednost vsote spinskih kvantnih števil (skupni spin) največja. To ustreza stabilnemu stanju atoma.
Razmislimo na primer, kakšna razporeditev treh elektronov na p-podravni ustreza stabilnemu stanju atoma:
Izračunajmo absolutno vrednost skupnega vrtenja za vsako stanje: 
Zgradba elektronskih lupin (elektronske konfiguracije) atomov elementovjaz – IV obdobja
Če želite pravilno prikazati elektronske konfiguracije različnih atomov, morate vedeti:
1) število elektronov v atomu (enako atomskemu številu elementa);
2) največje število elektronov na nivojih, podnivojih;
3) vrstni red zapolnjevanja podravni in orbital.
Elementijazobdobje:
V tabelah so predstavljeni diagrami elektronske strukture, elektronske in elektronsko-grafične formule atomov elementov II, III in IV obdobja.
ElementiIIobdobje:
ElementiIIIobdobje:
ElementiIVobdobje:
Ta članek pojasnjuje, kdaj so bile odkrite energijske ravni. In tudi, kako so jih razložili in kako se uporablja takšna lastnost snovi, kot je kvantizacija energije elektrona v atomu.
Strela in marmor
Struktura snovi zanima človeštvo, odkar je mogoče postavljati abstraktna vprašanja brez skrbi za hrano. Tako grozeči pojavi, kot so strele, poplave in suše, so povzročali grozo. Nezmožnost razlage, kaj se dogaja okoli, je povzročila idejo o jeznih bogovih, ki so zahtevali žrtve. In vsak dan so si ljudje prizadevali, da bi se nekako naučili napovedovati vreme, da bi bili pripravljeni na naslednjo kataklizmo. Stari Grki so spoznali, da so snovi sestavljene iz zelo majhnih delcev. Opazili so, da marmornate stopnice, po katerih so skozi desetletja hodili številni ljudje, spreminjajo obliko, kar pomeni, da vsaka noga s seboj odnese del kamna. Od tega odkritja do koncepta, kaj so energetski nivoji, je tako časovno kot po količini znanja zelo daleč. Vendar pa je ravno ta pripomba, izrečena pred več kot tri tisoč leti, našo znanost pripeljala do njene sodobne oblike.
Rutherford in Bohr
Na začetku dvajsetega stoletja je bilo zahvaljujoč poskusom z elektriko že znano, da je najmanjši delec, ki nosi vse kemijske lastnosti snovi, atom. Na splošno je bil električno nevtralen, vendar je vseboval pozitivne in negativne elemente. Znanstveniki so morali ugotoviti, kako so porazdeljeni. Predlaganih je bilo več modelov, od katerih se je eden celo imenoval "rozin bun". Rutherfordov znani poskus je pokazal, da je v središču atoma težko pozitivno jedro, medtem ko je negativni naboj koncentriran v majhnih lahkih elektronih, ki se vrtijo na obrobju. Energijske ravni elektronov v atomu in proces njihovega odkrivanja so pripeljali fiziko do preboja. Po Maxwellovih enačbah vsako premikajoče se naelektreno telo ustvarja polje, ki nenehno oddaja energijo v vesolje. Tako se je pojavilo vprašanje: zakaj se elektroni vrtijo v atomih, vendar se ne oddajajo in ne padejo na jedro in izgubljajo energijo? Zahvaljujoč Bohrovim postulatom je postalo jasno, da elektroni zasedajo določene energijske nivoje v atomu in, ko so v teh stabilnih orbitah, ne izgubljajo energije. Ta teoretična teza je potrebovala fizično utemeljitev.
Planck in laserji
Ko je Max Planck, ki je poskušal poenostaviti rešitev nekaterih enačb, uvedel koncept kvanta, se je v fiziki začela nova doba. Imenuje se neklasično obdobje in je povezano s številnimi pomembnimi odkritji, ki so korenito spremenila življenje človeštva. Tako kot penicilin v medicini je kvant v fiziki revolucioniral celoten sistem znanja. Omeniti velja, da nove formule niso zanikale, ampak, nasprotno, potrdile prejšnje zaključke. V pogojih volumetričnih teles, makrorazdalj in običajnih hitrosti so se spremenili v znane in razumljive zakone. Kvantna fizika je pomagala odgovoriti na številna vprašanja, vključno s tem, zakaj v atomu obstajajo energijske ravni elektronov. Postalo je jasno, da lahko elektroni skačejo iz ene orbite v drugo. V tem primeru je odvisno od smeri skoka prišlo do absorpcije ali oddaje energije. Mnoge lastnosti snovi temeljijo na teh nenadnih prehodih. Zaradi dejstva, da so v atomih energijske ravni, delujejo laserji, obstaja spektroskopija in možno je ustvarjati nove materiale.
Val in foton
Vendar sam pojav kvantizacije energije ne daje jasne razlage, zakaj so nekatere ravni stabilne in zakaj je razdalja od orbite do jedra v atomu odvisna. Na pomoč je prišla nekonvencionalna ideja. Vse se je začelo z neskladjem med rezultati različnih poskusov na istih objektih. V nekaterih primerih so se obnašali kot delci, ki imajo maso in s tem vztrajnost: premikali so plošče, vrteli rezila. V drugih - kot niz valov, ki se lahko sekajo, ugasnejo ali okrepijo (na primer fotoni, nosilci svetlobe). Posledično so morali znanstveniki priznati: elektroni so tako delci kot valovi. Tako imenovana dvojnost val-delec je pojasnila energijske ravni atoma. Kot val se elektron, ki se giblje v krogu, prekriva. Torej, če maksimum "glave" sovpada z minimumom "repa", val zbledi. Na določenih razdaljah od središča maksimumi sovpadajo in elektron lahko obstaja, kot da se nenehno podpira in ustvarja energijske ravni atoma.
Kemija in elektron
V procesu preučevanja kemijskih lastnosti snovi se je izkazalo, da ima vsaka od njih svoje ravni. To pomeni, da ima helij drugačno sliko kot vodik, čeprav se njuna atomska števila razlikujejo le za eno. Energijske ravni atomov kemičnih elementov so odvisne od njihovega skupnega števila. To pomeni, da se zdi, da zgornji elektroni "pritisnejo" na nižje ravni in jih prisilijo k premikanju. Struktura energijske lupine atoma ima svoje zakonitosti, ki jih določajo štiri glavna kvantna števila. Če jih poznamo, je enostavno izračunati energijske ravni elektronov za vsako vrsto kemičnega elementa.
Bližje kot je elektronska ovojnica atoma atomskemu jedru, močneje elektrone privlači jedro in večja je njihova vezavna energija z jedrom. Zato je priročno označiti razporeditev elektronskih lupin z energijskimi nivoji in podnivoji ter porazdelitev elektronov po njih. Število nivojev elektronske energije je enako številu periode, v kateri se ta element nahaja. Vsota števil elektronov na energijskih nivojih je enaka atomskemu številu elementa.
Elektronska struktura atoma je prikazana na sl. 1.9 v obliki diagrama porazdelitve elektronov po energijskih nivojih in podnivojih. Diagram je sestavljen iz elektronskih celic, prikazanih kot kvadrati. Vsaka celica simbolizira eno elektronsko orbitalo, ki lahko sprejme dva elektrona z nasprotnimi vrtljaji, kar označujeta puščici gor in dol.
riž. 1.9.
Elektronski diagram atoma je zgrajen v zaporedju povečanje števila energijskih ravni. V isto smer energija elektronov se poveča in zmanjša se energija njegove povezave z jedrom. Zaradi jasnosti si lahko predstavljate, da je jedro atoma na "dnu" diagrama. Število elektronov v atomu elementa je enako številu protonov v jedru, tj. atomsko število elementa v periodnem sistemu.
Prvi energijski nivo je sestavljen samo iz ene orbitale, ki je označena s simbolom s. To orbitalo polnijo elektroni iz vodika in helija. Vodik ima en elektron in vodik je monovalenten. Helij ima dva seznanjena elektrona z nasprotnimi spini, helij ima ničelno valenco in ne tvori spojin z drugimi elementi. Energija kemijske reakcije ni dovolj za vzburjenje atoma helija in prenos elektrona na drugo raven.
Drugi energijski nivo je sestavljen iz "-podravni in /. (-podravni, ki ima tri orbitale (celice). Litij pošlje tretji elektron na 2"-podravni. En neparni elektron določa monovalentnost litija. Berilij zapolni istem podnivoju z drugim elektronom, zato ima berilij v nevzbujenem stanju dva seznanjena elektrona. Vendar je majhna energija vzbujanja zadostna za prenos enega elektrona na ^-podnivo, zaradi česar je berilij dvovalenten.
Na podoben način pride do nadaljnjega polnjenja 2p-podravni. Kisik v spojinah je dvovalenten. Kisik ne izkazuje višjih valenc zaradi nezmožnosti parjenja elektronov druge ravni in njihovega prenosa na tretjo energijsko raven.
Za razliko od kisika lahko žveplo, ki se nahaja pod kisikom v isti podskupini, v svojih spojinah kaže valence 2, 4 in 6 zaradi možnosti združevanja elektronov tretje ravni in njihovega premika na ^-podravni. Upoštevajte, da so možna tudi druga valenčna stanja žvepla.
Elementi, katerih s-podnivo je zapolnjena, se imenujejo "-elementi". Zaporedje se oblikuje podobno R- elementi. Elementi s- in p-podnivoji so vključeni v glavne podskupine. Elementi stranskih podskupin so ^-elementi (nepravilno imenovani prehodni elementi).
Podskupine je priročno označiti s simboli elektronov, zaradi katerih so nastali elementi, vključeni v podskupino, na primer s"-podskupina (vodik, litij, natrij itd.) ali //-podskupina (kisik, žveplo itd.).
Če je periodni sistem sestavljen tako, da se periodična števila povečujejo od spodaj navzgor in sta v vsako elektronsko celico najprej en in nato dva elektrona, dobimo dolgoperiodični periodni sistem, ki po obliki spominja na diagram porazdelitve. elektronov po energijskih nivojih in podnivojih.
