Upload
others
View
15
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
NỘI DUNG
Chương 10. VẬT LÝ NGUYÊN TỬ
10.1. NGUYÊN TỬ HYDRO
10.2. NGUYÊN TỬ KIM LOẠI KIỀM
10.3. MÔ MEN ĐỘNG LƯỢNG VÀ MÔ MEN TỪ CỦA ELECTRON
CHUYỂN ĐỘNG XUNG QUANH HẠT NHÂN
10.4. SPIN CỦA ELECTRON
10.5. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MEDELEEV
10.1. Nguyên tử Hydro
Sự gián đoạn của điện tích Điện tích nguyên tố
Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford
Tính qui luật trong phân bố phổ vạch phát xạ:
Mẫu nguyên tử Bohr: Lượng tử hóa (gián đoạn) các mức
năng lượng của electron trong nguyên tử Hydro
Các nghiên cứu về nguyên tử trước khi có cơ học lượng tử:
2 2
1 2
1 R R
n n
10.1. Nguyên tử Hydro
Mẫu Bohr mang tính chất bán lượng tử
Mẫu Bohr không tính đến xác suất của quá trình dịch
chuyển Cường độ các vạch khác nhau
Mẫu Bohr không giải thích được lưỡng tính sóng - hạt của
electron
Mẫu Bohr không đưa ra chứng minh chặt chẽ về chuyển
động của electron trong trạng thái dừng
Các nghiên cứu về nguyên tử trước khi có cơ học lượng tử:
10.1. Nguyên tử Hydro
Sử dụng phương trình Schrodinger để xét chuyển động của
electron trong nguyên tử Hydro:
Điện tử chuyển động trong trường thế của hạt nhân:
Phương trình Schrodinger:
Mẫu cơ học lượng tử về nguyên tử Hydro:
2
0
eU
4 r
2
2
0
2m eE 0
4 r
10.1. Nguyên tử Hydro
Tính chất của nguyên tử Hydro phụ thuộc vào 3 số lượng
tử (hàm sóng phụ thuộc vào 3 số lượng tử - 3 bậc tự do:
Số lượng tử chính: n = 1, 2, 3,…
Số lượng tử quĩ đạo: l = 0, 1, 2,… , (n-1)
Số lượng tử từ quĩ đạo: ml = -l, …-1, 0, 1,…, l
Mẫu cơ học lượng tử về nguyên tử Hydro:
10.1. Nguyên tử Hydro
Năng lượng của Hydro nhận các giá trị gián đoạn phụ
thuộc vào số lượng tử chính:
Ứng với mỗi số lượng tử chính là một lớp:
n = 1 là lớp K
n = 2 là lớp L
n = 3 là lớp M…
Một số kết luận về nguyên tử Hydro:
4
n 2 2 22
0
me 1 13,6eVE .
n n2 4
10.1. Nguyên tử Hydro
Mức năng lượng suy biến bậc n2:
Ứng với mỗi giá trị của n, số lượng tử l nhận n giá trị
khác nhau;
Ứng với mỗi giá trị của l, số lượng tử ml nhận (2l+1) giá
trị khác nhau;
Ứng với mỗi giá trị của số lượng tử chính n, có tổng cộng
n2 trạng thái lượng tử.
Ký hiệu: l = 0 là trạng thái s; l = 1 là trạng thái p;
l = 2 là trạng thái d; l = 3 là trạng thái f
Một số kết luận về nguyên tử Hydro:
10.1. Nguyên tử Hydro
Bất kỳ khoảng cách nào
cũng có khả năng bắt gặp
electron, nhưng mỗi trạng
thái đều có một khoảng cách
ứng với xác suất lớn nhất:
Electron không chuyển động
theo quĩ đạo xác định
Đám mây electron
Một số kết luận về nguyên tử Hydro:
10.1. Nguyên tử Hydro
Quang phổ vạch của Hydro:
Một số kết luận về nguyên tử Hydro:
Bước sóng của
vạch phát xạ:
(R = 1,09.107 m-1)
2 2
1 2
1 R R
n n
10.2. Nguyên tử kim loại kiềm
Vỏ ngoài cùng của kim loại kiềm chỉ có 1 electron hóa trị:
Năng lượng của electron hóa trị phải tính thêm ảnh hưởng
của tương tác giữa các electron:
Năng lượng của electron hóa trị trong nguyên tử kim loại kiềm:
4
n 2 22l0
me 1E .
(n x )2 4
10.2. Nguyên tử kim loại kiềm
Số hiệu chỉnh phụ thuộc vào số lượng tử quĩ đạo:
Ký hiệu các mức năng lượng:
1S 2S, 2P
3S, 3P, 3D 4S, 4P, 4D, 4F
Năng lượng của electron hóa trị trong nguyên tử kim loại kiềm:
10.2. Nguyên tử kim loại kiềm
Qui tắc dịch chuyển:
Chuyển từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp
Δl = ± l
Dãy chính: ν = n0S - nP
Dãy phụ II: ν = n0P - nS
Dãy phụ I: ν = n0P - nD
Dãy cơ bản: ν = 3D – nF
Với n0 = 2 với Li, n0 = 3 với Na…
Quang phổ của nguyên tử kim loại kiềm:
10.2. Nguyên tử kim loại kiềm
Quang phổ của nguyên tử kim loại kiềm:
l = 1
l = 0
l = 1
l = 0
l = 2
l = 0 l = 1 l = 2 l = 3
n = 2
n = 3
n = 4
Dãy chính
Dãy phụ II Dãy phụ I
Dãy cơ bản
2S
2P
3S
3P
3D
4S 4P 4D 4F
Mức 0
10.3. Mô men động lượng và mô men từ quĩ đạo
Mô men động lượng của electron do chuyển động xung
quanh hạt nhân không có hướng xác định nhưng có giá trị
xác định:
l = 0, 1, …, (n-1) là số lượng tử quĩ đạo
Hình chiếu của mô men động lượng lên một phương bất kỳ
luôn nhận các giá trị gián đoạn (bị lượng tử hóa):
ml = ±l; ± (l-1), …, 1, 0 là số lượng tử từ quĩ đạo
Mô men động lượng quĩ đạo (orbital):
L l(l 1)
z lL m .
10.3. Mô men động lượng và mô men từ quĩ đạo
Mối liên hệ mô men động lượng và
mô men từ quĩ đạo của electron:
Hình chiếu của mô men từ lên một
phương bất kỳ:
Magneton Bohr:
Mô men từ quĩ đạo:
e
eL
2m
z z l l B
e e
e eL m m .
2m 2m
24 2
B
e
e9,27.10 (A.m )
2m
10.3. Mô men động lượng và mô men từ quĩ đạo
Hiệu ứng Zeeman là hiện tượng tách vạch phổ thành nhiều
vạch sít nhau khi nguyên tử phát sáng đặt trong từ trường
Xét một trường hợp đơn giản: Nguyên tử H (hoặc các
nguyên tử mà hiệu ứng spin bị triệt tiêu) phát sáng trong
từ trường đều:
Mỗi vạch phổ bị tách thành 3 vạch
Nguyên nhân của hiệu ứng: năng lượng phụ (có thêm) khi
nguyên tử đặt trong từ trường:
Hiệu ứng Zeeman (thường):
z l BE .B .B m . .B
10.3. Mô men động lượng và mô men từ quĩ đạo
Các mức năng lượng mới của nguyên tử
Tần số vạch quang phổ khi nguyên tử chuyển từ trạng thái
2 về trạng thái 1:
Hiệu ứng Zeeman (thường):
' '
2 1 2 1 2 1 BE E E E (m m ). .B'
h h h
l BE' E m . .B
Bl
.B' m
h
10.4. Spin của electron
Ba số lượng tử n, l, ml mô tả chuyển động của electron
xung quanh hạt nhân
Electron có mô men động lượng riêng Có thêm bậc tự
do nội tại, gọi là spin
Về thực nghiệm, spin bắt đầu được giả thiết để giải thích
cấu trúc tinh tế của các vạch phổ (ví dụ vạch màu vàng
kép của Na)
Về lý thuyết, spin xuất hiện khi giải phương trình sóng
tương đối tính (phương trình Dirac) cho electron.
Khái niệm về spin:
10.4. Spin của electron
Các đặc trưng của spin:
Số lượng tử spin:
Mô men động lượng spin chỉ có một giá trị duy nhất:
Hình chiếu của mô men động lượng spin lên một phương
bất kỳ (phương z):
là số lượng tử từ spin
3S s(s 1)
4
z sS m .
1s
2
s
1m
2
10.4. Spin của electron
Các đặc trưng của spin:
Electron có mô men từ spin
Hình chiếu của mô men từ spin lên phương phương z:
Tỉ số từ - cơ spin:
sz B
e
e
2m
s
s
e
eS
m
10.4. Spin của electron
Mô men toàn phần của electron:
Electron có mô men động lượng toàn phần bằng tổng của
mô men động lượng orbital và mô men động lượng spin:
Giá trị của mô men toàn phần:
Với số lượng tử toàn phần:
J L S
1j l
2
J j( j 1)
10.4. Spin của electron
Trạng thái và năng lượng của electron trong nguyên tử:
Trạng thái lượng tử của một electron trong nguyên tử được
xác định bởi 4 số lượng tử: n, l, ml, ms
Tương tác spin – quĩ đạo dẫn đến electron có thêm năng
lượng phụ (phụ thuộc vào định hướng spin)
Năng lượng toàn phần của electron trong nguyên tử phụ
thuộc vào ba số lượng tử n, l, j
Có sự tách mức năng lượng rất nhỏ (cấu trúc tinh tế các
mức năng lượng) do j nhận 2 giá trị khác nhau
Ký hiệu mức năng lượng: n2Xj
10.4. Spin của electron
Cấu tạo bội của vạch quang phổ:
Do cấu trúc tinh tế của các mức năng lượng nên dẫn đến
cấu tạo bội các vạch phổ phát xạ
Qui tắc lựa chọn khi chuyển mức năng lượng
Mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp
Số lượng tử quĩ đạo:
Số lượng tử toàn phần:
l 1
j 0, 1
10.4. Spin của electron
Cấu tạo bội của vạch quang phổ:
Ví dụ: Xét vạch vàng đặc trưng của Na
Nếu không xét tương tác spin – quĩ đạo thì chỉ có một vạch
phổ ứng với chuyển mức 3S – 3P
Khi có tương tác spin - quĩ đạo:
Mức 3S (j = 1/2) không tách mức 32S1/2
Mức 3P (j = 1±1/2) tách thành 2 mức 32P1/2 và 32P3/2
Chuyển mức cho phép: 32S1/2 - 32P1/2 và 32S1/2 - 3
2P3/2
10.4. Spin của electron
Cấu tạo bội của vạch quang phổ:
3D
2P
32D3/2
32D5/2
22P1/2
22P3/2
l 1 j 0, 1
10.5. Bảng hệ thống tuần hoàn Medeleev
Khái niệm bảng hệ thống tuần hoàn Medeleev:
Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học cho phép
rút ra các tính chất vật lý và hóa học cơ bản.
Cho phép tiên đoán các nguyên tố chưa tìm thấy nhờ qui
luật tuần hoàn.
Xuất hiện trước cơ học lượng tử (1869)
10.5. Bảng hệ thống tuần hoàn Medeleev
Nguyên tắc sắp xếp các electron trong nguyên tử:
Nguyên lý cực tiểu năng lượng: Các electron trong nguyên
tử được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của các mức năng
lượng.
Nguyên lý loại trừ Pauli: Ở mỗi trạng thái lượng tử xác
định (được đặc trưng bởi bốn số lượng tử n, l, ml, ms) có
không quá một electron.
10.5. Bảng hệ thống tuần hoàn Medeleev
Nguyên tắc sắp xếp các electron trong nguyên tử:
Nguyên lý cực tiểu năng lượng:
1s
2s, 2p
3s, 3p
4s, 3d, 4p
5s, 4d,5p
6s, 4f, 5d, 6p…
10.5. Bảng hệ thống tuần hoàn Medeleev
Nguyên tắc sắp xếp các electron trong nguyên tử:
Nguyên lý loại trừ Pauli:
Trạng thái s (l = 0): ml = 0; ms = ±½
Chứa tối đa 2 e
Trạng thái p (l = 1): ml = 0, ±1; ms = ±½
Chứa tối đa 6 e
Trạng thái d (l = 2): ml = 0, ±1, ±2; ms = ±½
Chứa tối đa 10 e
Trạng thái f (l = 3): ml = 0, ±1, ±2, ±3; ms = ±½
Chứa tối đa 14e
10.5. Bảng hệ thống tuần hoàn Medeleev
Nguyên tắc sắp xếp các electron trong nguyên tử:
Nguyên lý loại trừ Pauli:
Lớp K (n = 1): 1s
Có tối đa 2 e
Lớp L (n = 2): 2s, 2p
Có tối đa 8 e
Lớp M (n = 3): 3s, 3p, 3d
Có tối đa 18 e
Lớp N (n = 4): 4s, 4p, 4d, 4f
Có tối đa 32 e
10.5. Bảng hệ thống tuần hoàn Medeleev
Nguyên tắc sắp xếp các electron trong nguyên tử:
Cấu hình electron:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d,5p, 6s, 4f, 5d, 6p…