7. Спин электрона. Спектры щелочных металлов. Тонкая структура спектральных линий

Учебные элементы. АФ. Тема 7. Спин электрона. Спектры щелочных металлов. Тонкая структура спектральных линий. Учебные элементы. 1. В спектре атома любого щелочного металла выделяют четыре серии: главная, резкая, диффузная и основная. Обобщенная формула Ридберга, по которой можно рассчитать частоту линий этих серий, записывается следующим образом: . Здесь m и n - целые числа, а α и β – дробные числа, названные поправками Ридберга. Эта формула учитывает возможность ионизации атомов других групп до состояния с одним внешним электроном (Z - номер группы). 2. Для конкретного атома (например, для лития), получим следующие четыре формулы: Главная серия: Резкая серия: Диффузная серия: Основная серия: 3. Для каждого атома имеется свой набор поправок Ридберга, которые были определены исходя из изучения энергий ионизации и длин волн головных и коротковолновых границ серий. 4. Головная линия серии. Для любой серии это спектральная линия с наибольшей длиной волны (наименьшей частотой) в данной серии. Соответствует первому разрешенному переходу из начального состояния в ближайшее возбужденное состояние. 5. Коротковолновая граница серии. Для любой серии это спектральная линия с наименьшей длиной волны (наибольшей частотой) в данной серии. Соответствует разрешенному переходу из начального состояния в возбужденное состояние с главным квантовым числом, стремящимся к ∞. Является границей между линейчатым спектром и областью сплошного спектра. 6. Энергия диссоциации численно равна работе, которую необходимо совершить, чтобы оторвать электрон от атома. Энергия перехода электрона из начального состояния в возбужденное состояние с главным квантовым числом, стремящимся к ∞, численно соответствует этой работе. 7. Потенциал ионизации. При бомбардировке исследуемых атомов электронами, которые разгоняются в электрическом поле, регистрируется разность потенциалов, при которой происходит отрыв электрона от исследуемого атома (ионизация атома). Эта разность потенциалов называется потенциалом ионизации. 8. Первый потенциал возбуждения. В опыте Франка и Герца при бомбардировке исследуемых атомов электронами, которые разгоняются в электрическом поле, регистрируется разность потенциалов, при которой наблюдается резкий провал в вольтамперной характеристике. При этом электрон в исследуемом атоме переходит из основного состояния в первое возможное возбужденное. Энергия этого перехода равна энергии электрона, разогнанного электрическим полем. 9. Тонкая структура спектров. Постоянная тонкой структуры. При увеличении разрешающей способности спектральных приборов, было установлено, что все спектральные линии имеют тонкую структуру (они сложные). Линии главной и диффузной серии – двойные (дублеты), а линии резкой и основных серий – тройные (триплеты). Тонкая структура может быть объяснена тем, что энергетические уровни атома расщепляются. При вычислении энергии расщепления, было получено следующее соотношение: . Число получило название постоянная тонкой структуры, а Ei – энергия ионизации атома. 10. Спин электрона. Квантование спина. Спиновое квантовое число. Собственный механический момент атома и его проекция на выделенное направление: . . Для объяснения расщепления спектральных линий и ряда других экспериментов (эффект Зеемана, магнитомеханические явления) значение спинового квантового числа s положили равным ½, а значение магнитного квантового числа ms ,определяющего ориентацию спина, равным ±½. 11. Векторная модель одноэлектронного атома При таком представлении состояния электрона оказывается, что ему приписывают два механических момента (орбитальный и спиновый), которые должны складываться между собой. Для вычисления результата сложения строим векторную модель одноэлектронного атома. Необходимо напомнить студентам результаты вычисления коммутаторов операторов проекций механического момента (не коммутируют) и одной из проекций механического момента и квадрата модуля механического момента (коммутируют). Таким образом, нельзя определить точное направление вектора механического момента, а можно определить его проекцию на заданную ось (ось Z) и его длину. А сам механический момент будет вращаться (прецессировать) вокруг этого направления. ms=-½ z Ls Ls Ll ms=½ z L Lz 12. Спин-орбитальное взаимодействие. При сложении орбитального и спинового механических моментов возможны две взаимные ориентации этих моментов, которые будут давать разные состояния. Энергии этих состояний будут отличаться, т.к. помимо энергии, определяемой значениями главного и орбитального квантовых чисел, необходимо учитывать энергию спин-орбитального взаимодействия. Эта энергия определяется взаимодействием спинового магнитного момента с магнитным полем, которое возникает из-за орбитального движения заряженной частицы: . Величина и знак этой энергии определяется скалярным произведением орбитального и спинового механических моментов. Как видно из рисунка, в одном случае знак будет положительный (острый угол между моментами), в другом – отрицательный (тупой угол между моментами). 13. Полный механический момент. При сложении орбитального и спинового механических моментов получается новый механический момент (полный или внутренний), величина которого и его проекция на ось Z, записываются следующим образом: . . Причем значение полного квантового числа j для одноэлектронного атома может принимать значения: l + ½ или l - ½. Значения числа mj могут принимать значения от –j до j через единицу. Таким образом, можно объяснить расщепление энергетических уровней. Образование дублетов и триплетов можно объяснить, только рассмотрев правила отбора для спектральных переходов. 14. Правила отбора для спектральных переходов. Это правила изменения квантовых чисел при переходе электрона из одного состояния атома в другое при поглощении или испускании фотона. Рассмотрим только однофотонные процессы. Для главного квантового числа n нет никаких ограничений. Электрон может переходить с любого уровня n1 на любой другой n2. Для орбитального квантового числа l действует правило отбора, основанное на законе сохранения механического момента. Фотон имеет собственный механический момент равный единице ℏ. Поэтому при поглощении или излучении фотона механический момент атома должен изменяться на единицу. Отсюда правило отбора: . Для спинового квантового числа s действует строгое правило: оно не должно изменяться: . Для полного квантового числа j установлено следующее правило отбора: . Для магнитного квантового числа mj установлено такое же правило отбора: . Таким образом, поскольку полное квантовое число j при оптических переходах может изменяться максимум тремя способами, то и тонкая структура линий для атомов щелочных металлов может быть либо дублетом, либо триплетом.

Похожие:

	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Соединения щелочных металлов. Качественное определение ионов щелочных металлов»		Инструкция по технике безопасности при применении и хранении щелочных металлов Об утверждении Правил безопасности при работе и хранении щелочных металлов в учреждениях, организациях и на предприятиях Академии...
	Жироухова Галина Викторовна гбоу спо «Суражский педагогический колледж... Цель: опираясь на знания учащихся об общих свойствах металлов, глубже осмыслить общие и специфические свойства металлов I группы...		Линия для получения гуматов щелочных металлов
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель: Закрепить знания об особенностях электронного строения металлов, химических свойствах на примере щелочных металлов; закрепить...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Д. И. Менделеева; общие физические и химические свойства металлов и основные способы их получения; основные свойства и применение...
	Вопросы к курсу Об утверждении Правил безопасности при работе и хранении щелочных металлов в учреждениях, организациях и на предприятиях Академии...		Вопросы для самоподготовки к зачетам и экзаменам по материаловедению Об утверждении Правил безопасности при работе и хранении щелочных металлов в учреждениях, организациях и на предприятиях Академии...
	Тема: история развития науки. Цели и перспективы. Лекция 1 Об утверждении Правил безопасности при работе и хранении щелочных металлов в учреждениях, организациях и на предприятиях Академии...		Перечень российских журналов входящих в Web of Science по направлениям (активные ссылки) Об утверждении Правил безопасности при работе и хранении щелочных металлов в учреждениях, организациях и на предприятиях Академии...
	Реферат по теме: «Металлы. Свойства металлов.» Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группы металлов		Синтез и исследование краунсодержащих оптических хемосенсоров на... Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физической и органической химии Южного федерального университета и в Южном...
	Список научных трудов Соловьев В. П., Внук Е. А., Страхова Н. Н., Раевский О. А. Термодинамика комплексообразования солей щелочных и щелочноземельных металлов...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Металлы. Общие свойства металлов. Положение металлов в периодической таблице, физические свойства, химические, получение металлов,...
	Домашнее задание по химии ноябрь –декабрь 2013 г. Учитель Леонова Н. А Рефераты на выбор: «Соединения щелочных и щелочно-земельных металлов и их применение», «Соединения алюминия, их применение», «Соединения...		«Химические свойства металлов» Прежде чем изучать химические свойства металлов, давайте вспомним закономерности в строении атомов металлов и общие физические свойства...