17.6 О периодической системе элементов д.И. Менделеева

Понимание периодической системы элементов основано на идее об оболочечной структуре электронного облака атома. Каждый следующий атом получается из предыдущего добавлением заряда ядра на единицу () и добавлением одного электрона, который помещают в атоме в состояние с наименьшей энергией согласно принципу Паули.

Низшая, и первая, К-оболочка состоит всего из двух состояний . Эта оболочка становится замкнутой в атоме, электронная конфигурация которого.

Третий электрон атома лития может занять лишь уровень , его электронная конфигурация. Этот электрон связан с ядром слабее других и является внешним (валентным). Основное состояние этого электрона характеризуется значением.

У четвертого элемента, бериллия, полностью заполняется подоболочка . У последующих шести элементов () происходит заполнение электронами подоболочки, в результате чего неон имеет полностью заполненные оболочки(двумя электронами) и(восемью электронами). Электронная конфигурация. Одиннадцатый элемент, натрий, имеет, кроме заполненных оболочеки, один электрон в подоболочке. Электронная конфигурация натрия имеет вид:. У следующих за натрием элементов нормально заполняются подоболочки 3и. Заполнение-подоболочки завершается на аргонеAr (Z=18), который имеет электронную конфигурацию . Итак, до атома калияпоследовательность заполнения оболочек и подоболочек имеет «идеальный» характер. Первый «сбой» происходит с атомом калия: внешний электрон занимает, вместосостояния, состояние. Подобное – не единственный случай в периодической системе, и связано это с тем, что такие конфигурации оказываются более выгодными в энергетическом отношении (расчет это полностью подтвердил). Четвертая подоболочказаполняется в криптоне, у которого электронная конфигурация имеет вид:. Укажем далее кратко, что атомом с замкнутой-подоболочкой является ксенон, а атомом с замкнутой-подоболочкой – родон.

Все атомы с замкнутыми - подоболочками образуют инертные газы. Для вступления в химическую реакцию необходимо, чтобы хотя бы один электрон внешней оболочки атома изменил свое состояние. Но если оболочка замкнута, то из-за принципа Паули этим изменением может быть только переход электрона в соседнюю, более высокую оболочку, для чего нужна большая энергия. Если такая энергия атому не сообщается, то в нем не произойдет изменений, что и проявляется в его химической инертности.

Следует также отметить, что периодически повторяются сходные электронные конфигурации (например, и т.д.) сверх полностью заполенных подоболочек, чем обуславливается периодическая повторяемость химических и оптических свойств атомов. Во внешних оболочках атомов находятся валентные электроны. Атомы с одинаковым числом валентных электронов ведут себя сходным образом, проявляя не только близкие химические, но также оптические, электрические и магнитные свойства.

17.7 Характеристические рентгеновские спектры

Рентгеновские спектры, возникающие при бомбардировке электронами анода рентгеновской трубки, бывают двух видов: сплошные и линейчатые. Сплошные спектры возникают при торможении быстрых электронов в веществе анода и являются обычным тормозным излучением электронов. Вид этих спектров не зависит от материала анода. Когда энергия бомбардирующих электронов становится достаточной для вырывания электронов из внутренних оболочек атома, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического излучения. Частоты этих линий зависят от материала анода. Каждый элемент обладает своим, характерным для него линейчатым спектром. Поэтому спектры называют характеристическими.

Рентгеновские спектры состоят из нескольких серий, обозначаемых буквами . Каждая серия К– из небольшого числа линий, обозначаемых в порядке возрастания частоты индексами. Спектры разных элементов имеют сходный характер и не меняются, если интересующий нас элемент находится в соединении с другими. Это объясняется тем, что рентгеновские спектры возникают при переходах электронов во внутренних частях атомов, частях, имеющих сходное строение. Схема возникновения рентгеновских спектров дана на рис. 6.

Рис. 6

При удалении внутреннего электрона атом переходит в возбужденное состояние – его энергия увеличивается на соответствующую энергию ионизации. Если вырывается один из двух электронов -уровня, то освободившееся место может быть занято электроном из какого-либо более высокого уровня:и т.д.

В результате возникает -серия. Аналогично возникают и другие серии:

Серия , как видно из рис. 6, обязательно сопровождается появлением и остальных серий, так как при испускании ее линий освобождаютсяи т.д. уровни, которые в свою очередь будут заполняться электронами с более высоких уровней.

Английский физик Мозли установил в 1913 г. закон, связывающий частоты линий рентгеновского спектра с атомным номером элемента. Согласно этому закону частоты линииможно представить формулой

,

где – постоянная Ридберга (),

линии – формулой,

линии – формулойи т.д.

Все эти формулы можно записать в обобщенном виде:

, (17.32)

где для-серии,для-серии и т.д.., причем. Например, приибудем иметь-линию ,--линию,--линию.

Закон Мозли обычно выражают формулой

, (17.33)

где – величина, постоянная для каждой серии (и т.д.),– величина, постоянная для всех элементов, но разная для-линий ().

Закон Мозли формулируют следующим образом: корень квадратный из частоты является линейной функцией атомного номера .

Закон Мозли позволяет по измеренной длине волны рентгеновских линий точно установить атомный номер данного элемента, он сыграл большую роль при уточнении расположения элементов в периодической системе.

Величина , входящая в формулы (17.32) и (17.33), называется постоянной экранирования, она учитывает изменение поля ядра за счет экранирования другими электронами. Например, для электрона-оболочки экранирование осуществляется только вторым-электроном и. Электрон, находящийся в-оболочке, экранируют два электрона-оболочки и остальные семь электронов-оболочки. Однако по мере заполнения вакансии в-оболочке экранирующее действие электронов этой оболочки постепенно выпадает и можно положить, что совпадает с экспериментальным значением.

Более строго формулу (17.32) следует писать в виде:

. (17.33)

Пример Найдем порядковый номер легкого элемента, у которого в спектре поглощения рентгеновского излучения разность частотикраев поглощения равна.

Решение:

Из рис. 6 видно, что .

Частота перехода определяется законом Мозли

,

где .

Таким образом,

,

Отсюда = 22, т.е. титан.

ТЕСТЫ

1. Принципу Паули подчиняются

(1) фермионы, (2) бозоны, (3) только электроны, (4) мезоны.

2. Электронная конфигурация некоторого атома содержит полностью заполненные 3s- и 3p- подоболочки, и наполовину заполненную 3d- подоболочку. Полное число электронов на этих оболочках равно

(1) 11, (2) 13, (3) 12, (4) 14.

3. Частицы, обладающие полуцелым спином, называются

(1) барионами, (2) бозонами, (3) лептонами, (4) фермионами, (5) адронами.

4. Принцип Паули утверждает, что

(1) в одном квантовом состоянии находится не более одного фермиона, (2) в одном квантовом состоянии находится не более одного бозона, (3) в одной точке пространства находится не более одного электроны, (4) одно значение энергии может иметь не более чем один электрон.

5.. Электронная конфигурация некоторого атома содержит полностью заполненные 1s,2s,2p- и 3s-подоболочки, и наполовину заполненную 3p- подоболочку. Полное число электронов в атоме равно

(1) 15, (2) 11, (3) 16, (4) 14.

6. Электронная конфигурация атома может иметь вид

(1),(2), (3), (4).

7. Принцип Паули определяет

(1) вероятность обнаружения электронов на разных орбитах, (2) уровни энергии электронов в атоме, (3) распределение электронов по атомным оболочкам, (4) вероятность обнаружения электронов на разных оболочках.

8. Количество тождественных бозонов, находящихся в одном квантовом состоянии,

(1) ≤1, (2) ≤2, (3) может быть любым, (4) не определено.

9. На 4d -подоболочке в атоме не может находится

(1) электронов, (2)электронов, (3)электронов, (4)электронов.

10. На 5p- подоболочке в атоме не может находится

(1) электронов, (2)электронов, (3)электронов, (4)электронов.

11. Сколько электронов в атоме могут иметь одинаковые квантовые числа и?

(1) 2; ( 2) 1; (3) 2(2+1); (4) 2

12. Представить распределение электронов по одночастичным состояниям в атоме благородного газа Ne (Z=10)

(1) 1; (2) 1; (3)(4)

13. От каких квантовых чисел зависит энергия атома щелочного металла без учета спин-орбитального взаимодействия.

(1) n, m_s; (2) n, ,; (3)n, ; (4)n, ,,.

14. Указать основную электронную конфигурацию атома благородного газа Ar (z=18)

1) ; 2);

3) ; 4).

15. Сколько электронов в атоме могут иметь одинаковые квантовые числа ,,,?

(1) 2; (2)1; (3) ; (4).

16. Указать основную электронную конфигурацию атома щелочного металла Na (z=11)

(1) ; (2); (3); (4).

17. Момент импульса электронов в атоме и его пространственное квантование могут быть условно изображены векторной схемой, на которой длина вектора пропорциональна модулю орбитального момента импульса электрона. Какому минимальному значению квантового числа n соответствуют векторы схемы и чему равны значения квантовых чисел иm?

0

1. n=2; =3;m=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3;

2. n=3; =2;m=-2,-1,0,+1,+2;

3. n=3; =2;m=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3;

4. n=5; =6;m=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3.

26