Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
energia jonizacji nie wzrasta czterokrotnie w stosunku do energii jonizacji atomu wodoru na skutek oddziaływania między elektronami,.
Typologia: Egzaminy
1 / 26
Ta strona nie jest widoczna w podglądzie
Nie przegap ważnych części!
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
25 20 15 10 5
He
Ne Na
Ar
Xe
Hg
Cs
Kr
K
8
8
18
18
32
Liczba atomowa, Z
jonizacyjny (eV) ł Potencja
Li
Rb
Tl
Rn
Rys. 13.1. Zale
żno
ść
potencja
łu jonizacyjnego elektronów od liczby atomowej
Z
.
Okresy zmian w
ła
ściwo
ści fizycznych i chemicznych pierwiastków tworz
ą^
kolejno
ść
liczb 2, 8,
8, 18, 18, 32.
W roku 1925 W. Pauli przedstawi
ł^ regu
łę
która wyja
śnia istnienie grup z 2, 8, 18 i 32 pierwiastkami.
Zasada Pauliego:
jeden orbital elektronowy mog
ą^
zajmowa
ć^
nie wi
ęcej ni
ż^
dwa elektrony
.
-^
W stanie z
n =
1 mog
ą^
znajdowa
ć^
si
ę^
2 elektrony.
-^
Gdy
n
= 2, mo
żliwe 4 orbitale: (
n,l,m
) = (2,0,0), (2,1,1), (2,1,0), (2,1,–1), które mog l
ą^
by
ć^
zaj
ęte
przez 8 elektronów.
-^
Liczb
ę^
18 mo
żna otrzyma
ć^
sk
ładaj
ąc 5 orbitali z
l =
^2
i 4 orbitale z
l =
ęć
orbitali
mo
że by
ć^
zaj
ęte przez 18 elektronów.
Jedynie dla atomu helu znaleziono dok
ładne rozwi
ązanie numeryczne struktury elektronowej. Dla
atomów wieloelektronowych stosujemy na ogó
ł^ przybli
żone metody opisu.
W
atomach
wodoropodobnych,
tzn.
w
atomach
(
Z–
)-krotnie
zjonizowanych,
promienie
orbit
i
poziomy energetyczne opisujemy wzorami
2 (^22)
πε
,^
2 2 2 2
4 2
h ε o
π
-^
Blisko j
ądra, pole jest w przybli
żeniu polem o potencjale
Ze/
ro ; powoduje to,
ż
e energia
wi
ązania elektronów na pierwszej orbicie bardzo silnie zale
ży od
Z
.
-^
Dla
ci
ęż
kich
atomów
energia
wi
ązania
jest
proporcjonalna
do
(Z
-^
1)
2
-^
jest
tylko
nieznacznie mniejsza ni
ż^
w atomie wodoropodobnym.
-^
W miar
ę^
oddalania si
ę^
od j
ądra ekranuj
ący wp
ływ elektronów wzrasta i pole przestaje by
ć
kulombowskie. J
ądro ma pewien
ładunek efektywny
eZ
, przy czym ef
Z
ef^
< Z
.
-^
Na orbitach zewn
ętrznych wp
ływ ekranowania jest tak du
ży,
ż
e energia wi
ązania nie
zale
ży praktycznie od
Z
i jest w przybli
żeniu równa energii wi
ązania elektronu w atomie
wodoru.
n^
s^
p^
d^
f
(l=0)
(l=1)
(l=2)
(l=3)
Stan
Liczbaelektronów
6
6 5 4 3 2 1
6 6 6
2 2 2 2 2 2
10
14
10 10 10
Energia
Rys. 13.2. Wp
ływ pobocznej liczby kwantowej
l
na warto
ści energii wi
ązania elektronu. Stany o
wi
ększej
warto
ści
l^
maj
ą^
wy
żej
po
ło
żone
poziomy energetyczne.
6p
6s
5p
5s
5d
4p
4s
4d
3p
3s
3d
-1 -2 -3 -4 -5 - Energia (eV)
0
Rys. 13.3. Niektóre poziomy energetyczne
sodu.
Podpoziomy
charakteryzuj
ące
si
ę^
du
żym
l^
mog
ą^
mie
ć^
wi
ększe
warto
ści
energii
ni
ż
podpoziomy o ma
łym
l , ale o wi
ększej warto
ści g
łównej liczby kwantowej.
Przyk
ład, na rys. 13.3 pokazano poziomy energetyczne atomu sodu gdzie stan
3d
le
ży wy
żej
ni
ż^
stan
4s
, a stan
4f
wy
żej ni
ż^
5p
.
Wodór (Z = 1) Jeden elektron w stanie
1s
. Energia jonizacji 13.6 eV
Hel (Z = 2)
ńczy pierwszy okres:
-^
dwa elektrony o przeciwnych spinach w stanie
1s
, energia jonizacji 24,6 eV,
-^
energia jonizacji nie wzrasta czterokrotnie w stosunku do energii jonizacji atomu wodoru naskutek oddzia
ływania mi
ędzy elektronami,
-^
du
ża energia jonizacji powoduje,
ż
e hel jest chemicznie oboj
ętny.
Lit (Z = 3) – Neon (Z = 10)^ •
lit rozpoczyna drugi okres; konfiguracja elektronów: 1
(^2) s 2 s
1 ,
-^
silne ekranowanie j
ądra przez elektrony w stanie
1s
2s
s
łabo zwi
ązany,
-^
energia jonizacji wynosi 5.4 eV; natomiast na oderwanie drugiego elektronu potrzeba a
ż^
eV,
-^
lit jest wi
ęc zawsze jednowarto
ściowy.
W
ła
ściwo
ści atomów drugiego okresu:
-^
w berylu (
Z =
łnia pow
łok
ę^
2s
,
-^
od boru (
Z =
Z =
ą^
pow
łok
ę^
2p
,
-^
w miar
ę^
wype
łniania podpow
łoki 2
p^
wzrasta energia jonizacji (wzrasta
Z
) a j
ądra ekranowane
przez dwa elektrony w stanie
1s
,
-^
dla boru energia jonizacji 8.3 eV, a dla neonu – 21.6 eV.
-^
neon o konfiguracji 1
(^2) s 2 s
2 2
(^6) p zamyka drugi okres (ca
łkowicie zape
łniona druga pow
łok
ę^
i
Sód (Z = 11) – Argon (Z = 18)^ •
Na
o konfiguracji elektronów 1
(^2) s 2 s
2 2
(^6) p 3 s
1 rozpoczyna trzeci okres
-^
okres ko
ńczy argon o ca
łkowicie wype
łnionej podpow
łoce 3
p^
(
(^2) s 2 s
2 2
(^6) p 3 p
6 ),
-^
energia jonizacji wzrasta od 5.1 eV dla
Na
do 15.8 eV dla
Ar
,
-^
sód wykazuje du
żą
aktywno
ść
chemiczn
ą, argon jest chemicznie oboj
ętny.
Potas (Z = 19) i dalej Czwarty okres rozpoczyna potas (
Z =
(^2) s 2 s
2 2
(^6) p 3 s
2 3
(^6) p .
-^
19-ty elektron w
K
nie wype
łnia podpow
łoki
3d
4s
o ni
ższej energii ni
ż^
stan
3d
,
-^
w atomie wapnia zostaje wype
łniona podpow
łoka
4s
2 ,
-^
od skandu (
Z =
ę^
wype
łnianie pow
łoki
3d
,
-^
pierwiastki od
Sc
( Z =
Ni
( Z =
ą^
pierwsz
ą^
grup
ę^
przej
ściow
ą^
ą^
podobne
w
ła
ściwo
ści
chemiczne
i
zbli
żone
energie
jonizacji:
od
eV
dla
Sc
do
eV
dla
Ni
;
uwarunkowane to jest tym,
ż
e zape
łniona podpow
łoka
4s
ekranuje zape
łnion
ą^
podpow
łok
ę^
2d
,
-^
żelazo,
kobalt
i^
nikiel
maj
ą^
niezape
łnion
ą^
podpow
łok
ę^
3d
,^
co
okre
śla
ich
w
ła
ściwo
ści
magnetyczne,
-^
mied
ź^
( Z =
ła
ściwo
ści chemiczne –
Cu
ma tylko jeden elektron w stanie
4s
.
Tabela 13.1. Konfiguracje elektronowe atomów
Z^
Symbol
Konfiguracjaelektronowa
Energiajon. (eV)
1 2
H He
1s1s
2
13.59524.
3 4 5 6 7 8 9 10
Li BeB C N O F Ne
[He] 2s
2s
2 2s
2 2p 2s
2 2p
2
2s
2 2p
3
2s
2 2p
4
2s
2 2p
5
2s
2 2p
6
5.3909.3208.29611.25614.54513.61417.41821.
1112131415161718
NaMgAlSiP S ClAr
[Ne]3s
3s
2 3s
2 p 2s
2 p
2 2sp
3 2s
2 p
4 2s
2 p
5 2s
2 p
6
5.1387.6445.9848.14910.48410.35713.0115.
192021222324252627282930313233343536
K CaScTi V CrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
[Ar]4s
4s
2 3ds
2 3d
2 s
2 3d
3 4s
2
3d
5 4s 3d
5 4s
2
3d
6 4s
2
3d
7 4s
2
3d
8 4s
2
3d
10 4s 3d
10 4s
2
3d
10 4s
2 4p
3d
10 4s
2 4p
2
3d
10 4s
2 4p
3
3d
10 4s
2 4p
4
3d
10 4s
2 4p
5
3d
10 4s
2 4p
6
4.3396.1116.546.836.746.767.4327.877.867.6337.7249.3916.007.889.819.7511.8413.
373839404142434445464748495051525354
RbSrY ZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeI Xe
[Kr]5s
5s
2 4d5s
2 4d
2 5s
2
4d
4 5s 4d
5 5s 4d
5 5s
2
4d
7 5s 4d
8 5s 4d
10 4d
10 5s 4d
10 5s
2
4d
10 5s
2 5p
4d
10 5s
2 5p
2
4d
10 5s
2 5p
3
4d
10 5s
2 5p
4
4d
10 5s
2 5p
5
4d
10 5s
2 5p
6
4.1765.6926.3776.8356.8817.107.2287.3657.4618.337.5748.9915.7857.3428.6399.0110.45412.
Po
wprowadzeniu
równania
Schrödingera,
w
teorii
oddzia
ływa
ń^
elektromagnetycznych
zacz
ęto
stosowa
ć^
mechanik
ę^
kwantow
ą,
w
wyniku
czego
powsta
ła
elektrodynamika
kwantowa.
Na
jej
gruncie wykazano,
ż
e na
ładowana cz
ąstka mo
że poch
łon
ąć
lub emitowa
ć^
pojedyncze fotony.
13.4.1. Widma optyczne
Atomy po zaabsorbowaniu porcji energii przechodz
ą^
do stanu wzbudzonego.
Je
żeli
dostarczona
energia
wynosi
do
kilkunastu
elektonowoltów,
to
przej
ścia
elektronów
walencyjnych na wy
ższe poziomy energetyczne mo
żna uzyska
ć^
poprzez:
-^
ogrzewanie (energia jest przekazywana w wyniku zderze
ń),
-^
wy
ładowania elektryczne,
-^
oś
wietlenie promieniowaniem widzialnym i nadfioletowym,
-^
reakcje chemiczne.
E
n E
m h νnm
Wzbudzone atomy samorzutnie przechodz
ą^
do
stanu
ni
ższego,
a^
ka
żdemu
przej
ściu
towarzyszy
emisja
kwantu
promieniowania
o
cz
ęsto
ści
h E
E
m
n
nm
−
=
gdzie
E
n^
i^ E m^
na
wy
ższym
i^
ni
ższym
poziomie
energetycznym.
Linie emisyjne promieniowania uwarunkowane tymi przej
ściami energetycznymi nazywamy widmem
optycznym (zakres widzialny, bliski nadfiolet i bliska podczerwie
ń).
Uk
ład linii jest z
ło
żony, ale charakterystyczny dla danego pierwiastka. Fakt ten wykorzystuje si
ę^
w
analizie widmowej do okre
ślania jako
ściowego i ilo
ściowego sk
ładu danej substancji.
Okazuje si
ę,
ż
e mo
żliwe s
ą^
tylko przej
ścia mi
ędzy takimi poziomami, których liczby kwantowe
l^
i^ j
spe
łniaj
ą^
tzw. regu
ły wyboru
Δ
,^
Δ
Je
żeli wzbudzony atom jest powraca do stanu ni
żej po
ło
żonego na drodze ma
ło prawdopodobnego
przej
ścia, to mo
że on pozosta
ć^
w tym stanie przez bardzo d
ługi okres czasu. Poziom taki nazywamy
metatrwa
łym
( metastabilnym
).
Typowy
czas
życia
atomu
w
stanie
wzbudzonym
wynosi
oko
ło
10
s.
Poziomy
metatrwa
łe
charakteryzuj
ą^
si
ę^
czasami
ż
ycia rz
ędu 10
s, tzn. ich czasy
ż
ycia s
ą^
miliony razy d
łu
ższe.
Oprócz emisji spontanicznej wyst
ępuje
emisja wymuszona
:
padaj
ący foton powoduje przej
ście wzbudzonego atomu do stanu energetycznie ni
ższego. W
wyniku tego przej
ścia wzrasta liczba fotonów, gdy
ż^
obok fotonu padaj
ącego pojawia si
ę^
drugi
foton, emitowany przez atom Fakt,
ż
e foton promieniowania mo
że spowodowa
ć^
przej
ście z poziomu ni
ższego na wy
ższy i
odwrotnie, ma swoj
ą^
analogi
ę^
klasyczn
ą.
Je
żeli na oscylator harmoniczny dzia
ła periodycznie si
ła zewn
ętrzna, to oscylator wykonuje drgania
wymuszone o cz
ęstotliwo
ści si
ły zewn
ętrznej. Je
żeli cz
ęstotliwo
ść
ta jest równa cz
ęstotliwo
ści
rezonansowej oscylatora, to wówczas opó
źnienie fazowe drga
ń^
oscylatora w stosunku do si
ły
wymuszaj
ącej
wynosi
90
i^
si
ła
ta
przekazuje
energi
ę^
oscylatorowi.
Gdyby
jednak
oscylator
wyprzedza
ł^ w fazie si
łę
zewn
ętrzn
ą^
to wówczas oscylator przekazuje energi
ę^
na zewn
ątrz.
Traktuj
ąc atom jako oscylator, a si
łę
zewn
ętrzn
ą^
jako pole energetyczne promieniowania,
otrzymujemy klasyczne wyja
śnienie emisji i absorpcji wymuszonej
.
Dla promieniowania zakresu widzialnego emisja spontaniczna jest zdecydowanie bardziejprawdopodobna ni
ż^
emisja wymuszona. Mówi
ąc inaczej, promieniowanie emitowane przez
klasyczne
ź
ród
ła
ś
wiat
ła jest promieniowaniem spontanicznym
.
( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
)
Do
czasu
opracowania
lasera
w
1960
r.^
wszystkie
dost
ępne
źród
ła
promieniowania
zakresu
optycznego by
ły niekoherentne (fazy pojedynczych fotonów by
ły przypadkowe warto
ści wzgl
ędem
siebie.
Charles H. Townes
1915–
Nicolay G. Basov
1922–
Aleksandr M. Prokhorov
1916–
Lasery impulsowe i ci
ąg
łego dzia
łania
-^
widma optyczne powstaj
ą^
w wyniku dostarczania do atomu energii od kilku do kilkunastu
elektronowoltów (wzbudzeniu ulegaj
ą^
tylko elektrony z pow
łoki zewn
ętrznej),
-^
elektrony z pow
łok wewn
ętrznych maj
ą^
energi
ę^
wi
ązania 10
4 –
5
eV. Dostarczaj
ąc do atomu
takiej energii, atom wprowadzany jest w stan bardzo wysokiego wzbudzenia. Atom powraca dostanu podstawowego emituj
ąc fotony o bardzo wysokiej cz
ęstotliwo
ści. Otrzymamy wówczas
widmo liniowe, zwane liniowym widmem rentgenowskim. Okry
ł^ je
Wilhelm Conrad Röentgen
(1845-1923) w 1895 r.
-^
dł
ugo
ści fal promieniowania rentgenowskiego wynosz
ą^
zwykle 10
m. Oprócz widma
liniowego wyst
ępuje równie
ż^
widmo ci
ąg
łe promieniowania rentgenowskiego.
Caring for patients in a midwestern community, four general radiologists along with an associate,commissioned a nationally known artist from South Dakota to create an oil painting for their office tocommemorate the centennial of Röntgen's discovery of x-ray on 8 November 1895. Having receivedinterest in the painting, they agreed to form Heritage Prints and offer a limited edition print of the"Birth of Radiology." The print features Wilhelm Conrad Röntgen, his wife, and a superimposedradiography image of his wife's hand known to radiologists around the world.
