![]()
|
||||||||||||||||||||||
Бақылау сұрақтарыБақ ылау сұ рақ тары 1. Сiлтiлiк элемент (Li, Na, K, Rb, Cs) атомының қ ұ рылымы қ андай? Атомдық қ алдық, тиiмдi заряд. 2. Сiлтiлiк элемент атомын сутегi атомымен салыстырың ыз. Айырмашылығ ы, ұ қ састығ ы неде? 3. Энергетикалық дең гейлердiң «азғ ындалуы»деп ненi айтады? Мысал келтiру керек. 4. Сiлтiлiк металл атомдары энергиясының l орбиталық кванттық саны бойынша азғ ындалуының жойылуы қ алай тү сіндiрiледi? 5. Dlкванттық ақ ау шамасы неге тә уелдi? 6. Кез-келген сiлтiлiк металл атомы ү шін спектрлiк термдер жиынтығ ын белгiлей бiлу; –негiзгi дең гейдi анық тай бiлу; –энергетикалық дең гейлер схемасын сыза бiлу; –байқ алатын барлық сериялар ү шін кванттық ауысуларды кө рсете бiлу; –қ абылданғ ан белгiлеу бойынша ә рбiр сериядағ ы кванттық ауысуларды жаза бiлу. 7. Сұ рыптау ережелерi, бұ лардың физикалық мағ ынасы. 8. НАТРИЙ СПЕКТРЛІК СЫЗЫҚ ТАРЫНЫҢ НӘ ЗІК ТҮ ЗІЛІСІН ЗЕРТТЕУ 8. 1. Жұ мыстың мақ саты мен мазмұ ны Сiлтiлiк элементтер атомдарының энергетикалық дең гейлерi сызық тарының нә зiк тү зілiсiмен танысу. Натрий атомының спектрлiк сызық тарының дублеттiк тү зілiсiн тә жiрибелiк зерттеу. Дисперсиясы ү лкен спектрографта (ДФС-8) натрий спектрiн алу. Спектрлiк сызық тардың нә зiк тү зілiсi қ ұ раушыларының ара қ ашық тығ ы. Осы деректер бойынша натрий атомы Р-термдерiнiң жiктелу шамасын жә не осы жiктелу шамасының n бас кванттық сан мә ндерiне тә уелдiлiгiн анық тау. а экрандау тұ рақ тысын анық тау[1-10, 19-23]. 8. 2. Аппаратура ДФС-8 спектрографы, УГЭ-4 генераторы. 8. 3. Теориялық кiрiспе Сiлтiлiк металл атомдарының спектрлiк сызық тарын ажыратқ ыштық қ абілетi жоғ ары қ ұ ралдармен зерттегенде осы сызық тардың ә рқ айсысы қ ос сызық тан (дублет) тұ ратындығ ы - кү рделi екендiгi ашылды. Сызық тардың осылай қ ұ раушыларғ а жiктелуi спектрдiң нә зiк тү зілiсiдеп аталады. Жақ ын орналасқ ан бiрнеше қ ұ раушылардан тұ ратын спектрлiк сызық тарды мультиплеттер деп атайды. Ә р тү рлі атомдардың мультиплеттегiқ ұ раушылар саны екiге (дублет), ү шке (триплет), тө ртке (квартет) жә не т. т. тең болуы мү мкін; дара спектрлiк сызық тар да болады, бұ лар синглеттер деп аталады. Сiлтiлiк металл атомдарының спектрлiк сызық тарының ә рқ айсысы екiқ ұ раушыдан тұ рады жә не бұ лардың аралары литийде ө те жақ ын, ал атомдық массалары артқ ан сайын аралары алшақ тай беретiндiгi тағ айындалғ ан. Мә селен, резонанстық сызық тың жiктелу шамасы (Dl, нм) тө мендегiдей болады.
Спектрлiк сызық тардың жiктелуi, араларында кванттық ауысулар болатын энергия дең гейлерiнiң жiктелуiмен байланысты болуғ а тиiс. Басқ аша айтқ анда спектрлiк сызық тың нә зiк тү зілiсi электронның энергия дең гейлерiнiң нә зiк тү зілiсiмен байланысты болуғ а тиiс. Сiлтiлiк металдар атомдарының энергетикалық спектрiн қ арастырайық. 8. 3. 1. Сiлтiлiк металдар атомдарының энергетикалық спектрi Сiлтiлiк металл атомы ядроның кулондық ө рiсiндегi кө п электрондар жү йесi болғ андық тан мұ ның энергетикалық спектрiн есептеу қ иын ә рi кү рделi болып табылады. Сондық тан мынадай ә дiс қ олданылады-есептеудi жең iлдететiн ұ йғ арым жасалады: атомның iшкi қ абатындағ ы электрондар ядроғ а жақ ын орналасқ ан (ядро жә не iшкi қ абаттардағ ы электрондар атомдық қ алдық тү зеп тұ рады), ал атоммен ә лсiз байланысқ ан сыртқ ы электрон, керiсiнше, ядродан жеткiлiктi ү лкенқ ашық тық та болады деп ұ йғ арып, сiлтiлiк металл атомы сутегi тә рiздi жү йе ретiнде қ арастырылады (сыртқ ы электрон-атомдық қ алдық ). Осылай қ арастырғ анда, сыртқ ы электронның атомның қ алғ ан электрондарымен ә серлесуi, атомдық қ алдық тың сыртқ ы электронды кулондық тартылысына қ абаттасатын болмашы ұ йытқ у ретiнде ескерiледi; ал осы жағ дайдағ ы атом энергиясы ү шін сутегi атомының энергия ө рнегiне ұ қ сас ө рнек алынады;
мұ ндағ ыn*=(n-Dl)-тиiмдiкванттық сан, n-баскванттық сан (n=1, 2,... ), Dl-кванттық ақ ау, (z-a)=zT-тиiмдi ядрозаряды. (8. 1) ө рнегiненсiлтiлiкметаллатомыэнергетикалық дең гейлерi сутегi атомының 8. 3. 2. Сутегi атомы энергетикалық дең гейлерiнiң нә зiк тү зілiсi Сутегi атомы энергетикалық дең гейлерiнiң нә зiк тү зілiсiн екi физикалық фактор туғ ызады: 1) релятивтiк эффект-атомдағ ы электрон массасының оның ядроны айнала қ озғ алғ андағ ы жылдамдығ ына тә уелдiлiгi; 2)электронның меншiктi магнит моментi мен электронның ядроны айнала қ озғ алысы туғ ызатын магнит ө рiсiнiң ә серлесуi. Электронның спинi жә не оның орбиталық қ озғ алысымен байланысты фактор да релятивтiк болып табылады. Шредингер тең деуi кө мегiмен атомның энергетикалық спектрiн есептеген кезде бұ л факторларды ескеру мү мкін емес, ө йткенi тең деу салыстырмалық теорияны қ анағ аттандырмайды. Сондық тан Шредингер тең деуi кө мегiмен атомның энергетикалық спектрiнiң нә зiк тү зілiсiн бейнелеуге болмайды. Атомның энергетикалық спектрiн жә не оның нә зiк тү зілiсiн арнайы салыстырмалылық теория талаптарын қ анағ аттандыратын Дирак тең деуi кө мегiмен дә л есептеп табуғ а болады. Бiрақ, басқ аша жасауғ а да болады. Дирак тең деуiн қ олданбай-ақ, нә зiк тү зілiс формуласын онша дә лме-дә л болмағ анымен, қ арапайым жолмен қ орытып шығ аруғ а болады. Сонда онша дә лме-дә л емес, бiрақ физикалық кө рнекi амалды қ олданып, сутегi атомының негiзгiкү йлерiне жоғ арыда аталғ ан факторлардың ә рқ айсысы тудыратын энергетикалық тү зетулер қ арастырылады. Релятивтiк эффектiң атомның энергетикалық кү йлерiне ә серiн ең алғ аш Зоммерфельд (1916) қ арастырғ ан. Е0 энергетикалық дең гейiне релятивтiк энергетикалық тү зету мына формуламен анық талады:
мұ нда Ендi бiр валенттiк электроны бар атомдағ ы электрон энергиясына электрон спинiнiң ә серiн қ арастырайық. Меншiктi магниттiк моментi болуы арқ асында электрон ө зiн осы электронның орбиталық қ озғ алысы тудыратын магнит ө рiсiнде орналастырылғ ан «магниттiк диполь» сияқ ты кө рсетедi. Атомдық физикада спиндiк магниттiк моменттiң орбиталық магнит ө рiсiмен ә серлесуi спин-орбиталық ә серлесу (ls) депаталады. Осымагниттiкә серлесунә тижесiндеэлектронDЕlsқ осымшаэнергияғ аиеболады. Ендiспин-орбиталық ә серлесуэнергиясынескерейiк. Электронядроның электростатикалық ө рiсiндеқ озғ алғ анкездепайдаболатынмагнитө рiсiнiң кернеулiгi
Электронның меншiктiмагниттiкмоментi:
Спин-орбиталық ә серлесудi бейнелеу ү шін, жә не де атомдардың спектрлерiн жү йелеу ү шін атомның векторлық моделi қ олданылады. Осы модельде электронның -орбиталық қ озғ алысына сә йкес импульс моментi Қ орытқ ы вектор Спин-орбиталық ә серлесу
(8. 7) ө рнегiмен спин-орбиталық ә серлесуге энергетикалық тү зету шамасы Атомдағ ы электронның энергиясын анық тағ анда Сонымен, атом энергиясы мынағ ан тең:
(8. 8) ө рнегiне (8. 2), (8. 7) қ атынастарын қ ойып жә не бiр электронды атом жағ дайында j=l±1/2 болатынын ескерiп, атом энергиясы ү шін мына формула алынады:
мұ ндағ ы
Сонымен, екi фактордың екеуiнiң де ә сер етуi нә тижесiнде бiр электронды атомның барлық дең гейлерi (8. 9) ө рнегiне сә йкес j кванттық санының мү мкін мә ндерiнiң саны бойынша екi дең гейшеге жiктеледi. Осы жiктелу (оның масштабы кiшi болу себептi) нә зiк немесе мультиплеттiк жiктелу деп аталады. Сондық тан жiктелу масштабын анық тайтын ө лшемдiлiксiз a тұ рақ ты-нә зiк тү зілiс тұ рақ тысы деп аталады. (8. 9), (8. 10) ө рнектерiнен дең гейдiң жiктелу шамасы (Еnl бiр дең гейдiң j1=l+1/2 жә неj2=l-1/2 дең гейшелерi арасындағ ы энергия айырымы) мынағ ан тең болатындығ ы шығ ады
(8. 11) ө рнегiнендең гейдiң дублеттiкжiктелушамасыядрозарядынатә уелдi (z4 -кетурапропорционал) болатындығ ы, баскванттық санжә неорбиталық кванттық сандарө скендетезкемитiндiгi 8. 3. 3. Сiлтiлiк элемент атомы энергетикалық дең гейлерiнiң нә зiк тү зілiсi Сутегi атомы энергетикалық дең гейлерiнiң нә зiк тү зілiсi ү шін қ орытылғ ан (8. 10) формуланы сiлтiлiк металл жағ дайында талдап қ орытуғ а болады. Сiлтiлiк металл спектрлерiн атомдық қ алдық ө рiсiндегi сә уле шығ арушы валенттiк электрон моделiн пайдаланып тү сіндiруге болады. Осы жағ дайда, қ алғ ан z-1 электрондардан тұ ратын атомдық қ алдық тың ұ йытқ ытушы ә серi былай бiлiнедi: ендi термдер R/n2 Бальмер формуласымен емес, Бұ дан кейiн тү зетудi Бальмер термiнiң бө лiмiне ендiрiп, Ридберг формуласын 8. 3. 1. параграф нә тижелерiнен сiлтiлiк элемент атомындағ ы валенттiк электронның энергиясын есептегенде электрон спинi ескерiлмегендiктен (8. 1) қ атынасын дә лдей тү су қ ажеттiгi, яғ ни DЕр, DЕls, релятивтiк жә не спин-орбиталық ә серлесумен байланысты эффектiлердi ескеру қ ажеттiгi келiп шығ ады. DЕр релятивтiк тү зетудi жә не DЕls энергетикалық қ осымшаны 8. 3. 2-де қ арастырғ анғ а ұ қ сас ә дiспен iске асырып ескеру (8. 1) қ атынасын мына тү рге келтiредi
(8. 12) формуладан сiлтiлiк элемент атомының барлық энергетикалық дең гейлерiнiң (s-дең гейлерден басқ алары) ә рқ айсысы екi дең гейшеге жiктелетiндiгi (j кванттық санының мү мкін мә ндерiнiң саны бойынша) кө рiнедi. Осы (8. 12) ө рнектен дең гейдiң жiктелу шамасы (n, l дең гейдiң j1=l+1/2, j2=l-1/2 дең гейшелерi энергияларының айырмасы) мынағ ан тең болатындығ ы келiп шығ ады
(8. 13) жә не (8. 11) тең дiктерiн салыстырудан сiлтiлiк элемент атомы энергия дең гейлерiнiң жiктелу шамасы сутегi атомынiкiне қ арағ анда едә уiр ү лкен болатындығ ы (z-a1 =zT> 1; сутегi атомы ү шін z=1) жә не z ө скенде тез ө сетiндiгi кө рiнедi. Бұ л мына жағ дайғ а байланысты: дең гейдiң жiктелу шамасы Қ азiргi атом теориясына сә йкес атомдағ ы электрон кү йiн n, l, j, mj тө рт кванттық сан жиынымен сипаттауғ а болады. n-бас кванттық сан; бiрiншi жуық тауда атомдағ ы электрон энергиясын анық тайды жә не n=1, 2, 3,... мә ндерiн қ абылдайды. l-орбиталық кванттық сан, электронның орбиталық импульс моментiн анық тайды; l=0, 1, 2,..., n-1 мә ндерiн, барлығ ы n мә н қ абылдайды. j-iшкi кванттық сан, атомдағ ы электронның толық импульс моментiн анық тайды; lжә неsберiлген жағ дайда j=l+s, l+s-1,..., ç l+s-1ê, барлығ ы 2s+1 мә н қ абылдайды. mj-магниттiк iшкi кванттық сан, электронның толық импульсмоментiнiң оқ шауланғ анбағ ытқ а (магнитө рiсi бағ ытына) проекциясышамасынанық тайды. Берiлгенj жағ дайында mj=j, j-1, j-2,... -j, барлығ ы2j+1 мә н қ абылдайды. Атомдағ ы электрон кү йiн белгiлеу ү шін арнайы шартты белгiлер жү йесi (символика), яғ ни кванттық сандардың берiлген жиынын белгiлi бiр тү рде жазу қ олданылады. Орбиталық кванттық сан мә нiне сә йкес (l=0, 1, 2, 3..., ) латын ә рпiн (s, p, d,... ) жазады, осыә рiптiң тө менгi оң жағ ынаj кванттық сан мә нi, жоғ арғ ы сол жағ ына мультиплеттiлiк, яғ ни 2s+1мә нi (s-спиндiк кванттық сан), аллатынә рпi алдынаn-бас кванттық сан мә нi жазылады. Сiлтiлiк элемент атомындағ ы оптикалық электронның негiзгi кү йi осы белгiлеуде былай жазылады: n 2S1/2, бұ ғ анl=0, j=1/2, s=1/2 n=2 (Li ү шін), n=3 (Na ү шін),... сә йкескеледi. (8. 12) формуланегiзiндежә неатомкү йлерiнiң (дең гейлерiнiң ) шарттыбелгiлеулерiнпайдаланып, сiлтiлiкэлементатомының энергетикалық спектрiндиаграмматү ріндекескiндеугеболады (8. 1-сурет).
Сурет 8. 1 Сілтілік металл атомының энергетикалық спектрі
Сұ рыптау ережелерi жә не спектр. Атом кү йлерi арасында жарық шығ арылып немесе жұ тылып ө тетiн кванттық ауысулар сұ рыптау ережелерi деп аталатын кванттық сандардың ө згеру шамасына қ ойылатын белгiлi бiр шектеулер жағ дайында мү мкін болады. Егер атомның бастапқ ы жә не аяқ қ ы кү йлерiнiң орбиталық кванттық сандары 1-ге ө згерген жағ дайда, яғ ни Dl=±1 (8. 14) болғ анда, ал осы кү йлердiң толық моментiнiң кванттық саны 1-ге ө згергенде, немесе бiрдей мә ндерге ие болғ анда (тек 0 емес), яғ ни Dj=0, ± 1 (8. 15) болғ ан жағ дайларда ауысулар мү мкін болады. l жә не j кванттық сандарының басқ аша ө згерiстерi жағ дайында жарық шығ арып немесе жұ тып ө тетiн кванттық ауысуларғ а тиым салынады. Кванттық ауысулар кезiнде n бас кванттық сан кез-келген шамағ а ө згере алады немесе тiптi ө згермейдi. l бойынша сұ рыптау ережелерiне сә йкес натрийдың шығ ару спектрiнде спектрлiк сызық тардың бiрнеше сериялары пайда болады. Тө менгi дең гейлерi ортақ спектрлiк сызық тар серия қ ұ райтындығ ы белгiлi, жә не бұ лар ә детте бiр спектрлiк аймақ та орналасады (ультракү лгiн, кө рiнетiн, инфрақ ызыл). Бiр серияғ а жататын сызық тардың формулалары (шығ ару спектрiнде байқ алатын) келтiрiлген: бас серия 3 2S-n2P: айқ ын серия 3 2P-n2S: диффузиялық серия 3 2P-n2D: iргелi серия: 3 2D-n2F: мұ нда n=4, 5, ... Егер атом негiзгi кү йде тұ рғ ан болса (3 2S1/2), онда қ оздырғ ан кезде ол, сұ рыптау ережелерiне сә йкес, тек Р- кү йлерге ауысулар жасай алады, осыдан бас серия (3S- nP) пайда болады. Егер Naатомы 3P-кү йде тұ рғ ан болса, онда осы кү йден S жә неDкү йлерге ауысулар мү мкін болады. Осы жағ дайда сұ рыптау ережелерiне сә йкес, айқ ын серияның (3P - nS) жә не диффузиялық серияның (3P - nD) сызық тары пайда болады. Бас серия жұ тылу спектрiнде де байқ алады. Аталғ ан сериялардың кейбiр кванттық ауысулары 8. 1-суретте кө рсетiлген. Сызық тардың нә зiк тү зілiсi. Дең гейлердiң нә зiк тү зілiсi белгiлi болса, онда ә р тү рлі серия сызық тарының жiктелу сипатын анық тау қ иын емес. j бойынша сұ рыптау ережелерiн (Dj=±1) ескерiп бас серия–дублеттер2S1/2 -2P1/2, 2S1/2 -2P3/2; айқ ын серия–дублеттер2P1/2 - 2S1/2 , 2P1/2 - 2S1/2; диффузиялық серия–триплеттер2P1/2-2D3/2, 2P3/2-2D3/2, 2P3/2-2D5/2 iргелi серия–триплеттер2D3/2-2F5/2, 2D5/2-2F5/2, 2D5/2-2F7/2 болатындығ ын табамыз. Тә жiрибе деректерiн талдағ анда (8. 13) формулағ а сә йкес nжә не lө скенде жiктелу шамасының тез кемитiндiгiн ескеру керек. Бас серия сызық тарының дублеттiк жiктелуi2P1/2, 3/2 жоғ арғ ы дең гейлердiң нә зiк тү зілiсiмен анық талады, ө йткенi тө менгi3S1/2 дең гей синглет болып табылады (8. 2-сурет). Сондық тан дублеттiк жiктелу ә сiресе бас серияның 3S1/2-3 2P1/2, 3/2 алдың ғ ы бас сызығ ы ү шінү лкен болады. Серияның жоғ арғ ы қ ысқ алау толқ ынды мү шелерiне ауысқ ан жағ дайда жiктелу шамасы тез тө мендейдi. Айқ ын серияның жiктелуi, керiсiнше, толығ ынан тө менгi 3 2P1/2, 3/2 дең гейдiң нә зiк тү зілiсiмен анық талады да, айқ ын серияның барлық сызық тарының -жиiлiктер немесе толқ ындық сандар шкаласында-дублеттiк жiктелулерi бiрдей болады. Триплеттiң 2P1/2-2D3/2 жә не 2P3/2-2D3/2 екiқ ұ раушысының ара қ ашық тығ ы тө менгi дең гейдiң жiктелуiмен анық талады жә не ол серияның барлық сызық тары ү шін тұ рақ ты болады (8. 3-сурет). Сурет8. 2Синглет 3S1/2Сурет8. 3 Триплет 2P1/2-2D3/2 жә не 2P3/2-2D3/2
2P3/2-2D3/2 жә не 2P3/2-2D5/2 қ ұ раушыларының жоғ арғ ы дең гейдiң жiктелуiмен анық талатын ара қ ашық тығ ы болса, шамасы бойынша едә уiр кiшi жә не серияның жоғ арғ ы мү шелерi ү шін тез кемидi. Спектрлiк қ ұ ралдың ажыратқ ыштық қ абілетi онша ү лкен болмағ ан жағ дайда осы қ ұ раушылар ажыратылмайды да диффузиялық серия сызық тар дублеттер болып кө рiнедi. Осы сияқ ты iргелi серия сызық тарының қ ұ рылымын оң ай тү сіндiруге болады.
|
||||||||||||||||||||||
|