3. Періодична система елементів д.І. Менделєєва

Періодична система елементів, одна з прекрасних творінь людського розуму, створена Д.І. Менделєєвим (1869 р.) внаслідок довготривалого і копіткого вивчення фізичних і хімічних властивостей елементів.

Менделєєв ввів поняття про порядковий номер елемента, і, розставивши хімічні елементи по наростанню порядкових номерів, отримав повну періодичність в змінах хімічних властивостей елементів. При розташуванні відомих в його час 64-х хімічних елементів в таблицю частина клітин таблиці була незаповненою, так як відповідні їм елементи ще не були відомі Менделєєву, таким чином, вдалося передбачити ряд нових елементів (наприклад, галій, скандій, германій), існування яких в подальшому було доведено. Крім того, Менделєєву також вдалося внести уточнення в значення атомних мас, і в деякі властивості ряду елементів. Наприклад, атомні маси берилію, цезію і урану, вирахувані на основі закону Менделєєва, виявилися правильними, а отримані раніше експериментально – помилкові. Періодичний закон Менделєєва являє собою основу сучасної хімії, атомної і ядерної фізики.

Теорія періодичної системи елементів Менделєєва основується на наступних положеннях:

1. Порядковий номер хімічного елемента дорівнює загальному числу електронів в атомі даного елемента.

2. Заповнення електронами енергетичних рівнів в атомі проходить відповідно до принципу Паулі.

3. Розподіл електронів в атомі по енергетичним рівням задовольняє принцип мінімуму потенціальної енергії: зі збільшенням числа електронів кожен наступний електрон займає можливий енергетичний стан з найменшою енергією.

Хімічні властивості елементів, а також ряд їх фізичних властивостей пояснюються поведінкою зовнішніх (валентних) електронів в атомах. Внаслідок цього, періодичність властивостей хімічних елементів повинна бути зв’язана з визначеною періодичністю в розташуванні електронів в атомах різних елементів.

Електрони в атомі, які займають сукупність рівнів з однаковими значеннями головного квантового числа n створюють електронну оболонку або електронний шар. В залежності від значень n розподіляють наступні оболонки:

n=1 К – оболонка, n=5 O – оболонка,

n=2 L – оболонка, n=6 P – оболонка,

n=3 M – оболонка, n=7 Q – оболонка,

n=4 N – оболонка,

В кожній із оболонок електрони розподіляються по підгрупам або під-оболонкам, кожна із яких відповідає визначеному значенню орбітального квантового числа . В атомній фізиці, як розглянуто вище, електронні стани в атомі позначаються символом , який вказує значення двох квантових чисел. Електрони, які знаходяться на рівнях, що характеризуються однаковими називаються еквівалентними. Число z еквівалентних електронів вказується показником ступеню в формулі . Наприклад, головний стан атома кисню виражається формулою:

,

яка показує, що два електрона знаходяться в станах з n = 1 і , два електрони знаходяться в станах с n = 2 і , чотири електрони мають квантові числа n = 2 і .

Прослідкуємо складання періодичної системи елементів Менделєєва. Порядок заповнення електронних рівнів в оболонках, а в межах одної оболонки – в підгрупах, слідує порядку розташування енергетичних рівнів з даними . Спочатку заповняються рівні з найменшою можливою енергією, потім рівні із все більшою енергією. Для легких атомів цей порядок відповідає тому, що спочатку заповнюється оболонка з меншим n а тільки потім починає заповнюватися електронами наступна оболонка. В межах однієї оболонки спочатку заповнюються рівні з , потім рівні з великим , до .

В атомі водню єдиний електрон знаходиться на рівні 1s. Атом гелію має два електрони, які знаходяться в рівні 1s, тобто при n = 1, , , . Наступним по порядку атом літію має три електрони. По принципу Паулі третій електрон не може розміститися в повністю заповненій К-оболонці і займає найменший енергетичний рівень з n = 2 (L-оболонка). Таким рівнем є 2s. Літієм починається другий період періодичної системи елементів. Далі аж до неону (Z=10) йде заповнення L-оболонок (див. табл. 8.3.1), а одинадцятий електрон натрію (Z=11) розміщується уже в М-оболонці (n = 3), займаючи нижчий рівень 3s. Поступове заповнення М-оболонки продовжується до аргону (Z=18), який закінчує третій період періодичної системи.

З аргону починаються відступи в послідовності заповнення електронних оболонок. Дев’ятнадцятий електрон калію (Z=19) повинен був би зайняти рівень 3d в М-оболонці. Але, як показує досвід, хімічні і оптичні властивості калію аналогічні властивостям Li і Na, у яких валентний електрон повинен знаходитися в s-рівні, що і спостерігається, так як дев’ятнадцятий електрон займає 4s-рівень N-оболонки. Подібне заповнення відбувається тому, що енергія електрона в даному випадку на 4s-рівні менше, ніж в 3d. Спектроскопічні і хімічні властивості кальцію (Z=20) показують, що його двадцятий електрон також розміщується в 4s-рівні N-оболонки. Починаючи з Z=21 (скандій) поновлюється нормальне заповнення під-оболонок 3d, яке закінчується у міді (Z=29).

Подібні міркування можна розповсюдити і на інші елементи в таблиці Менделєєва, але дані по заповненню електронних оболонок елементів можна знайти в довідниковому матеріалі, тому тут вони приводитись не будуть.

Зупинимось ще на одній особливості, пов’язаної з розподіленням електронів в елементах з порядкового номера 58 по номер 71. Справа в тому, що заповнення оболонки 41, яка може вміщувати 14 електронів, починається лише після того, як повністю заповняться оболонки 5s, 5p, 6s. Тому у цих елементів, які називаються лантаноїдами, зовнішня оболонка () виявляється однаковою, що тягне за собою їх однакові хімічні властивості, які визначаються валентними електронами. Аналогічну групу хімічних батьківських елементів утворюють актиноїди (порядкові номера з 90 по 103) з однаковою () оболонкою.

Таблиця 8.3.1

Z	Елемент	К	L	M	N	Електронна конфігурація
		1s	2s 2p	3s 3p 3d	4s 4p 4d 4f
1 2	H He	1 2				1s 1s
3 4 5 6 7 8 9 10	Li Be B C N O F Ne	2 2 2 2 2 2 2 2	1 2 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6

Контрольні питання:

1. Розкажіть про дослід Штерна та Герлаха.

2. В чому полягає принцип Паулі?

3. Розкажіть про розподіл атомів в електроні по енергетичних рівнях.

4. Будова періодичної системи Д. І. Менделеєва.

5. На чому будується теорія періодичної системи Д. І. Менделеєва?

Рекомендований до перегляду відеоматеріал після ознайомленням з лекційним матеріалом:

1. http://www.phys.univ.kiev.ua/videolections/238-doslid-shterna-i-gerlaha/

(дослід Штерна та Герлаха)

Література:

1. Навчальний посібник для студентів вищих технічних і педагогічних закладів освіти / Кучерук І. М., Горбачук І. Т.; за ред. Кучерука І. М. - К.: Техніка, 1999.Том 3: Оптика. Квантова фізика. - 520 с

2. Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. Савельев И.В. 3-е изд., испр.. - М.: Наука, Гл. ред. физ-мат. лит., 1988.— 496с.

Лекція 9

Тема: "Будова молекули"

Питання лекції:

1. Енергія молекули. Молекулярні спектри.

2. Комбінаційне розсіювання

3. Оптичні квантові генератори (лазери).

4. Вимушене випромінювання.

1. Енергія молекули. Молекулярні спектри.

Молекулярні спектри вже за зовнішнім виглядом значно відрізняються від атомних. Молекулярні спектри являють собою широкі смуги, які утворені досить тісно розміщеними окремими лініями. Короткохвильовий край кожної

зі смуг має розмитий характер. Це пов’язано з тим, що окремі спектральні лінії так близько розміщені одна від одної, що сучасними спектральними приладами вже не розділяються.

Молекулярні спектри за їх характерний вигляд називають смугастими спектрами. Смуги і групи смуг молекулярних спектрів розміщуються як в інфрачервоній, видимій, так і в ультрафіолетовій області довжин електромагнітних хвиль. З ускладненням молекул ускладнюються і їх молекулярні спектри. В досить складних молекул в різних областях довжин хвиль спостерігаються суцільні широкі смуги поглинання або випромінювання.

Розглянемо механізм утворення молекулярних спектрів. Повна енергія молекули W може бути розглянута, як суперпозиція: W_пост - енергії поступального руху центра інерції молекули; W_ел - енергії руху електронів в атомах молекули; W_кол - енергії коливального руху ядер атомів, що входять до складу молекули, біля їх положення рівноваги; W_об - енергії обертального руху молекули як цілого; W_яд - енергія ядер атомів у молекулі. Тобто

W = W_пост + W_ел + W_кол + W_об + W_яд. (9.1.1)

Енергія W_пост не квантується, тому її зміна на молекулярні спектри не впливає. Енергія, пов’язана з впливом ядра W_яд на процеси в молекулі, досить мала й істотної ролі не грає. Надтонка структура в молекулярних спектрах пов’язана з впливом ядра, вона практично нехтується. Тому енергія молекули, яка визначає її оптичні властивості, складається з суми трьох доданків:

W = W_ел + W_кол + W_об (9.1.2)

За правилом Бора частота ν кванта, який випускає молекула при зміні її енергетичного стану дорівнює:

(9.1.3)

де ΔW_ел, ΔW_кол, ΔW_об - зміни відповідних частин енергії молекули.

Оскільки кожний з доданків набуває ряд дискретних квантових значень, то їх зміни також мають дискретні значення і тому спектр молекул складається з густо розміщених спектральних ліній. Як показують досліди і теоретичні розрахунки, зміни енергій ΔW_ел, ΔW_кол і ΔW_об мають різну величину

ΔW_об<< ΔW_кол<<ΔW_ел.

Для виділення частот, які відповідають змінам різних видів енергії в молекулі зручніше розглянути її спектр поглинання. Припустимо, на речовину, яка складається з молекул, що не взаємодіють між собою, діє довгохвильове випромінювання з мало енергетичними квантами hν. До тих пір, доки енергія кванта hν не стане рівною найменшій різниці енергії між двома найближчими енергетичними рівнями молекул, поглинання не буде. Поглинання настане при довжинах хвиль зовнішнього опромінення порядку (0.1-1) мкм, тобто в далекій інфрачервоній області спектра. Кванти енергії таких хвиль можуть перевести молекулу з одного обертального енергетичного рівня на інший, вищий. А це призведе до виникнення спектра поглинання.

Довжини хвиль в кілька мікрон мають енергію, з допомогою якої можна збуджувати відповідні переходи коливальних рівнів. В цьому випадку будуть також збуджуватись відповідні обертальні рівні. Виникне коливально-обертальний спектр (рис. 9.1.1).

Рис. 9.1.1

У видимій і ультрафіолетовій області енергії квантів достатньо для збудження в молекулах переходів між відповідними електронними рівнями.

Рис. 9.1.2

Одночасно з цими переходами будуть збуджуватись коливальні і обертальні енергетичні рівні. Це дасть можливість одержати електронно-коливальний спектр, який показано на (рис. 9.2.1).

Отже, кожному електронно-коливальному переходу відповідатиме певна смуга, тому весь електронно-коливальний спектр у видимій і близькій до неї області є системою з кількох груп смуг, розміщених в цих ділянках спектра.