Материал: КФ №6

Вследствие эффекта экранирования потенциал электрического поля многоэлектронных атомов с увеличением расстояния уменьшается быстрее, чем для атома водорода. Это приводит к тому, что основная доля энергии взаимодействия электрона с ядром связана с той частью волновой функции , которая соответствует малым расстояниям до ядра. У электронов с = 0 эта часть существенно больше, чем у электронов с = 1, а у электронов с = 1 больше, чем у электронов с = 2 и т.д.

Наглядно это можно проиллюстрировать, воспользовавшись представлениями теории Бора, согласно которой электроны движутся по эллиптическим орбитам, причем вытянутость эллипса тем больше, чем меньше квантовое число , описывающее состояние электрона (рис.1.1).

Рис. 1.1

При движении по вытянутым орбитам электроны могут ближе подходить к ядру и на некотором участке пути оказаться к ядру ближе, чем электроны внутренних по отношению к ним оболочек. В течение этого времени на них не сказывается экранирующее действие этих оболочек.

В результате во многоэлектронных атомах происходит расщепление энергетических уровней, характеризуемых квантовым числом п, на п – подуровней (подоболочек) с различными значениями орбитального квантового числа . В сложных атомах снимается вырождение по квантовому числу . Подуровни с =0 носят название – подуровней, с =1 – р – подуровней, =2 – – подуровней,

=3 – – подуровней и т.д.

По мере возрастания атомного номера элемента возрастает не только количество подуровней во внешней оболочке атома, но и разница в энергиях между ними. При этом подуровни последующей оболочки, имеющие малые значения , могут оказаться ниже подуровней предыдущей оболочки с большим значением .

Таким образом, энергия электрона в многоэлектронном атоме зависит от квантовых чисел п, , (п, , ). Поэтому для указания состояния атома необходимо знать квантовые числа . В связи с этим в атомной физике используются такие обозначения состояний атома (терма), из которых можно определить квантовые числа .

В зависимости от величины орбитального квантового числа атома состояния обозначаются прописными буквами: – состояние; Р– состояние; – состояние и т.д.

Справа внизу у этого символа указывается значение квантового числа для атома, а сверху – мультиплетность состояния, т.е. число, равное .

Символическая запись данного состояния атома выглядит так:

.

Как известно, в химических и оптических свойствах атомов наблюдается периодическая зависимость от порядкового номера элемента . Эта периодичность может быть объяснена, если наряду с перечисленными выше закономерностями для описания поведения электронов во многоэлектронных атомах привлечь принцип Паули. Согласно этому принципу в атоме не может находиться двух или более электронов, у которых значения всех четырех квантовых чисел одинаковы. Принцип Паули ограничивает число электронов, которые могут находиться на данной электронной оболочке или подоболочке.

Очевидно, если задано квантовое число , то согласно принципу Паули электроны в данном состоянии должны отличаться квантовыми числами и , причем принимает всего 2 +1 значений, для каждого из которых возможно по два различных значения спинового квантового числа .

Таким образом, в данном энергетическом подслое число различных возможных состояний (комбинаций чисел и ) равно 2 (2 +1).

При заданном квантовом числе п изменяться могут числа , поэтому число возможных состояний окажется равным:

.

В электронной оболочке не может одновременно находиться более чем 2п² электронов, а в подоболочке – 2 (2 +1) электронов.

Распределение электронов по оболочкам и подоболочкам приведено в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Для заполненных оболочек полный орбитальный и спиновый моменты импульса атома равны нулю, а, следовательно, равен нулю и полный момент атома . В связи с этим при определении момента любого атома полностью заполненные оболочки можно не принимать во внимание.

Чтобы задать структуру сложного атома, следует перечислить состояния всех его электронов. Если в состоянии с данным значением п, , находится несколько электронов, то запись можно упростить. Например, электронная конфигурация для атома водорода имеет вид: , для гелия – , для лития – , для бериллия и т.д.

В данной работе изучается атомный спектр ртути. Ртуть занимает в периодической таблице 80 место. Распределение электронов по энергетическим уровням представлено в табл.2:

Таблица 2

Схема электронной оболочки записывается так:

,

т.е. вследствие взаимодействия электронов энергетически более выгодным оказывается состояние 6s, а не состояния и т.д., характеризуемые меньшими значениями квантового числа п, но более высокими значениями ( = 2; 3; 4). Подоболочки в нормальном состоянии у ртути не заполнены.

В результате во внешнем электронном слое в состоянии 6s у ртути находятся два электрона, которые называются оптическими. Эти электроны ответственны за физические и химические свойства ртути. В результате квантовых переходов этих электронов возникает оптический спектр ртути. Спектры атомов с двумя внешними s – электронами в нормальном состоянии являются простейшим типом сложных спектров. Эти два внешних электрона могут возбуждаться. Если возбуждается один электрон, возникают спектры, характерные для рассматриваемой группы атомов. Если возбуждаются оба 6s – электрона, что требует значительно большей энергии, то происходит смещение уровней и сильное усложнение спектра. При возбуждении одного из 6s – электронов получаются различные двухэлектронные конфигурации, при которых возбужденный электрон может попасть в состояние и т.д., где п  6.

Невозбужденный электрон находится в состоянии 6s, т. е. двухэлектронная конфигурация для внешних электронов имеет вид:

и т. д.

В атоме ртути структура термов сложнее, чем у атома водорода. В этом случае снимается вырождение по квантовому числу (энергетический уровень, характеризуемый квантовым числом п, расщепляется на п подуровней, характеризуемых квантовыми числами ). Для определения полного момента импульса атома ртути необходимо учесть взаимодействие четырех моментов – двух орбитальных и двух спиновых, характеризующих два внешних электрона на незаполненной 6s оболочке.

Если орбитальные квантовые числа этих электронов ₁ и ₂, а спиновые s₁ и s₂, согласно формулам (1.10), (1.11) орбитальное квантовое число атома , спиновое квантовое число атома ртути: . Поскольку , то S принимает два значения и . Полный момент атома характеризуется квантовым числом J, определяемым из равенства (1.12):

.

Таким образом, для атома ртути существует система синглентных (одиночных) термов энергетических состояний с и система триплетных (тройных) термов с и . К числу синглентных термов относятся термы: