ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 211
Скачиваний: 1
1. Главное квантовое число / г = 1 , 2, 3, . .., оо, опреде ляющее большую ось эллиптической орбиты, т. е. основ ной энергетический уровень или электронную оболочку. Исследования, проводимые с помощью катодных лучей, показали, что в оболочках находится по несколько элек-
Последняв оболочка
|
|
|
|
|
- |
|
1 |
1 |
« |
1 |
я |
I |
|
|
|
|
Наинизшии |
1 |
энергетический |
уроаень \ Первая оболочка^ |
|||||||||||
|
|
-\ |
|
|
|
" Т |
" I |
|
1 |
|
|
|
|
||
/г |
|
I |
|
м |
|
N |
|
|
|
|
|
\ считая |
от ядра |
||
|
I |
|
|
|
|
|
|
q |
| Слои оболочки |
||||||
| n=1 |
I п = г |
\/> = 3 I л=4 I л=5 |
I n=6 |
|
|||||||||||
I n=7 |
I Главное |
кван- |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
товое |
число |
|
Рис. 1-2. Схема |
«разрешенных» |
энергетических |
уровней |
|
электронов |
||||||||||
в многоэлектронном |
атоме |
(без |
сохранения |
масштаба). |
|
|
|||||||||
/ — о р б и т а л ь н о е |
(«побочное») |
квантовое число; |
s, |
р, d, |
f — подгруппы («суб |
||||||||||
о б о л о ч к и » ) ; |
2, |
6 и |
т. |
д . — максимальное |
д о п у с т и м о е |
количество |
электронов |
в д а н н о й подгруппе .
тронов, образующих определенные комплексы, так назы ваемые электронные слои. Слои эти по порядку удаления от ядра обозначают буквами К, L , М, N, О, Р, Q (рис. 1-2).
2. Орбитальное квантовое число, называемое также «побочным», 1 = 0, 1,2,..., я — 1 , которое разбивает элек троны каждой оболочки на п подгрупп («субоболочек») с несколько отличными энергиями. Это квантовое число определяет малую ось эллиптической орбиты. Эти энер гетические подуровни образуют семейства траекторий
20
в пределах каждого слоя. Их обозначают буквами |
s, р, |
||
d, f (рис. 1-2). |
|
mt=0, |
|
3. |
Орбитальное магнитное |
квантовое число |
|
+ 1, |
± 2 , ... , ±1, определяющее |
пространственное |
кван |
тование плоских эллиптических орбит. Оно связано с су ществованием магнитного момента электрона, вызываю щего направленную ориентацию атома во внешнем (на пример, земном) магнитном поле.
4. Спиновое магнитное квантовое число ms=±l/2, определяющее ориентацию вектора (оси) спина электро на (с левым или правым вращением).
Оба магнитных квантовых числа m-L и та определяют количество электронов в подгруппе. На энергию электро
на |
величины nti и ms |
не влияют. |
з а п р е т о м |
П а у |
|
Согласно принципу, называемому |
|||
л и |
(1925 г.), никакие |
два электрона |
в атоме не |
могут |
иметь один и тот же набор перечисленных выше четырех квантовых чисел. Так как все квантовые числа связаны между собой, то это означает, что в определенной обо лочке и подгруппе может существовать строго опреде
ленное количество электронов, |
«заполняющее» данный |
|
энергетический уровень (рис. 1-2). |
|
|
Например, для /г = 1 .возможны исключительно |
числа |
|
1=0, mi=0, m s = ± l / 2 , т. е. в |
первой оболочке |
может |
иметься не более двух электронов. Если там находится один электрон, то получаем химически активный атом водорода. Если же оболочка содержит оба электрона, то получаем химически нейтральный гелий с заполненной оболочкой.
В |
случае оболочки п = 2 возможны уже две подгруп |
||
пы 1 |
= 0 и 1=1 с числами |
/пг = 0,0, |
+ 1 , — 1 , а также tns = |
= + 1/2 и —1/2, т. е. всего |
восемь |
электронов в оболочке |
и т. д.
Таким образом, все подгруппы s могут поместить не более двух электронов, подгруппы р— до шести электро нов, d—10 электронов и f—14 электронов. Максимальное число подгрупп в оболочке равно п. Максимальное число электронов в подгруппе равно 2(2/+1).
В нормальном состоянии электроны занимают пооче редно наинизшие (наиболее близкие к ядру) энергетиче ские уровни. После заполнения данной оболочки начина ется формирование новой оболочки. Однако не всегда все подгруппы, представленные на рис. 1-2, целиком за полняются электронами. В некоторых случаях в много-
21
электронных атомах отталкивающие усилия остальных электронов, связанных с атомом, являются причиной то го, что энергетически оказывается более выгодно распо ложение нового электрона в высшей подгруппе (рис. 1-2), несмотря на то, что осталась еще не заполненной под группа, ближайшая к ядру (сравни группы М и N на рис. 1-2 и 1-12). Элементы с таким строением атомов на
зывают переходными. К ним принадлежат все |
элементы |
|
с ферромагнитными свойствами, как Fe, Со, Ni и др. |
||
Химические свойства |
данного элемента определяются |
|
в основном количеством |
электронов в крайней |
внешней |
оболочке. Поэтому химические свойства обладают пе риодичностью при переходе от атомного числа Z = l до Z=92, соответствующего количеству электронов в атоме. Электроны, находящиеся на внешней главной орбите (слое), называют поэтому валентными электронами. Именно эти электроны и определяют электрическую про водимость тела.
И о н и з а ц и я . Чтобы поднять электрон на энергети ческий уровень, более высокий, чем тот, который он зани мал в нормальном состоянии атома, необходимо сооб щить ему фотон со строго определенной энергией (напри мер, световой), равной одному кванту. Тогда говорят, что атом возбужден. Легче всего возбуждаются валентные электроны, так как ближайший более высокий энергети ческий уровень всегда для них свободен, а расстояния между внешними энергетическими уровнями являются меньшими, чем расстояния между внутренними уровня ми. Возбуждение электрона может привести к полному его отрыву от атома. Это вызывает ионизацию атома. Образуется тогда однократно заряженный положитель ный ион. Возможно образование двукратных ионов. Ко гда атом захватывает на свою орбиту лишний электрон, образуется отрицательный ион. Потенциал ионизации и потенциал возбуждения (резонансный потенциал) выра
жают |
соответствующей |
энергией |
в |
электроно-вольтах |
|||||||
(эВ). Энергия |
1 эВ |
равна |
энергии, |
которую |
приобретает |
||||||
1 электрон |
при |
перемещении |
между |
точками |
с |
разностью |
|||||
потенциалов |
1 В. Ионизирующая энергия |
составляет для |
|||||||||
атомов |
водорода |
13,5 |
эВ, |
гелия |
24,5 |
эВ, |
кислорода |
||||
13,6 эВ, |
неона |
21,5 |
эВ, |
ртути 10,4 |
эВ |
и |
азота |
14,5 эВ. |
Частично или полностью ионизированный газ называется плазмой. Степень ионизации плазмы изменяется при изменении температуры, Электрическая проводимость
22
Плазмы в присутствии магнитного поля является тензор
ной величиной (анизотропной). |
|
К р и с т а л л и ч е с к а я с т р у к т у р а |
м е т а л л о в . |
Металлы имеют кристаллическую структуру, т. е. атомы металлов расположены в пространстве регулярным об разом.
Среди 14 возможных комбинаций расположения ато мов в пространстве для металлов самыми важными явля
ются три типа |
элементарных решеток, показанные па |
Fe |
Си |
|
|
а) |
б) |
|
в) |
|
Рис. 1-3. Виды элементарных |
кристаллических |
|||||
ячеек, наиболее |
часто |
встречающихся |
в ме |
|||
таллах. |
|
|
|
|
||
а |
— |
объемно - центрированная кубическая |
решетка; |
|||
б |
— |
гранецентрированная |
кубическая решетка; в — |
|||
гексагональная решетка с |
самой |
плотной упаковкой |
||||
пространства. |
|
|
|
|
рис. 1-3. Металлы натрий, ванадий, хром, вольфрам кри
сталлизуются в объемно-центрированную |
кубическую |
||||||
решетку (рис. 1-3,а); благородные |
металлы медь, сереб |
||||||
ро, золото, |
никель, |
алюминий — в |
гранецентрированную |
||||
кубическую |
решетку |
(рис. 1-3,6). Железо |
может высту |
||||
пать в двух различных кристаллических |
формах. При |
||||||
нормальных |
температурах оно имеет объемно-центриро |
||||||
ванную |
кубическую |
решетку |
(рис. 1-3,о), а при темпера |
||||
турах, |
превышающих |
906 °С, |
приобретает |
гранецентри |
|||
рованную кубическую |
структуру |
(рис. 1-3,6). |
Свойства кристаллических тел существенным образом
зависят от расположения |
атомов в кристалле. Распреде |
||
ление атомов вдоль одной из осей кристалла |
может отли |
||
чаться |
от распределения |
атомов вдоль другой оси. От |
|
сюда |
и вытекают различные физические |
свойства тел |
|
в различных направлениях, т. е. анизотропия кристаллов. |
Физические свойства металлов в твердом состоянии за висят главным образом от их кристаллографической структуры. Например, плотность металла при произ-
23
вольной температуре можно |
рассчитать, зная |
структуру |
и данные элементарной пространственной |
ячейки ме |
|
талла. |
|
|
Э л е к т р о п р о в о д н о с т ь |
м е т а л л о в . |
Сближение |
отдельных атомов в твердом теле и особенно в кристалле вызывает взаимное проникновение электронов одного атома в другой, а возникающие значительные силы взаи модействия атомов вызывают расщепление установлен ных энергетических уровней на большое число непо средственно примыкающих друг к другу уровней энер гии, разрешенных для движения электронов. Это явле ние проявляется, очевидно, сильнее всего на внешних оболочках. Взаимодействие атомов в металлах настоль ко сильно, что для внешних валентных электронов уста навливается практически непрерывная зона непосредст венно соприкасающихся между собой «дозволенных» энергетических уровней. В металлах только часть примы кающих друг к другу энергетических уровней валентной зоны занята электронами, остальные высшие энергети ческие уровни, образующие тоже непрерывную зону, сво бодны от электронов. Таким образом, если в отдельном атоме для возбуждения валентного электрона и перехо да его на высший энергетический уровень требовалось сообщение ему определенного количества дискретных квантов энергии, в металле непрерывность дозволенных энергетических уровней позволяет поднять валентный электрон на высший свободный уровень с помощью про извольно малого количества энергии. Если теперь в об разце металла создать электрическое поле, то силы воз действия этого поля вызовут переход электронов, нахо дящихся на поверхности заполненной части валентной зоны, на высшие свободные энергетические уровни этой зоны, а также их движение в сторону высшего потенциа ла наведенного электрического поля. Это движение элек тронов как раз и есть электрический ток, а само описан ное явление называется электронной проводимостью.
Каждую частично заполненную непрерывную зону до
зволенных энергетических |
уровней называют в связи |
|
с этим зоной проводимости. |
Электроны, |
находящиеся |
в полностью занятых зонах, не могут, таким |
образом, как |
правило, участвовать в электронной проводимости из-за отсутствия достаточно близкого свободного уровня энер гии, который электрон мог бы занять, получив от элек трического поля небольшую энергию. Это свойство элек-
24