Энергетические уровни и подуровни. Энергетические уровни атомов

Данная статья рассказывает, когда были обнаружены энергетические уровни. А также, каким образом их объяснили и как применяется такое свойство вещества, как квантование энергии электрона в атоме.

Молния и мрамор

Строение веществ интересовало человечество с тех пор, как появилась возможность задавать абстрактные вопросы, не беспокоясь о пропитании. Такие грозные явления, как молнии, наводнения, засухи, вызывали ужас. Неспособность объяснить происходящее вокруг порождала представление о гневных богах, которые требовали жертв. И каждый день люди стремились каким-то образом научиться предсказывать погоду, чтобы быть готовыми к очередному катаклизму. О том, что вещества состоят из очень маленьких частиц, догадались еще древние греки. Они заметили, что мраморные ступени, по которым за десятилетия прошло много людей, меняют форму, а значит, каждая ступня забирает с собой какую-то часть камня. От этого открытия до понятия о том, что такое энергетические уровни, очень далеко как по времени, так и по объему знаний. Однако именно то замечание, сделанное более трех тысяч лет назад, привело нашу науку к современному виду.

Резерфорд и Бор

В начале двадцатого века благодаря опытам с электричеством уже было известно, что минимальной частицей, которая несет все химические свойства вещества, является атом. В целом он был электронейтрален, однако в нем находились положительные и отрицательные элементы. Ученым необходимо было выяснить, как они распределяются. Были предложены несколько моделей, одна из которых называлась даже «булочка с изюмом». Знаменитый опыт Резерфорда показал, что в центре атома находится тяжелое положительное ядро, тогда как отрицательный заряд сосредоточен в маленьких легких электронах, которые вращаются на периферии. Энергетические уровни электронов в атоме и процесс их открытия привели физику к прорыву. Согласно уравнениям Максвелла, любой движущийся заряженный объект порождает поле, непрерывно излучая в пространство энергию. Таким образом, возник вопрос: почему в атомах электроны вращаются, но не излучаются и не падают на ядро, теряя энергию? Благодаря постулатам Бора стало ясно, что электроны занимают в атоме определенные энергетические уровни, и, находясь на этих стабильных орбитах, они не теряют энергию. Этот теоретический тезис нуждался в физическом обосновании.

Планк и лазеры

Когда Макс Планк, пытаясь упростить решение некоторых уравнений, ввел понятие кванта, в физике наступила новая эра. Она называется неклассическим периодом и связана с целым рядом существенных открытий, которые кардинально изменили жизнь человечества. Как пенициллин в медицине, квант в физике перевернул весь строй знаний. Примечательно, что новые формулы не отрицали, а, наоборот, подтверждали прежние выводы. При условиях объемных тел, макрорасстояний, обычных скоростей они превращались в привычные и понятные законы. Квантовая физика помогла ответить на многие вопросы, в том числе почему в атоме существуют энергетические уровни электронов. Стало ясно, что переходить с одной орбиты на другую электроны могут рывком. При этом, в зависимости от направления скачка, происходило либо поглощение, либо излучение энергии. Многие свойства веществ строятся именно на этих скачкообразных переходах. Благодаря тому, что в атомах существуют энергетические уровни, работают лазеры, существует спектроскопия, возможно создание новых материалов.

Волна и фотон

Однако само явление квантования энергии не дает четкого объяснения того, почему какие-то уровни стабильны и отчего зависит расстояние от орбиты до ядра в атоме. На помощь пришла нестандартная идея. Началось все с несоответствия результатов разных экспериментов над одними и теми же объектами. В одних случаях они вели себя как частицы, которые обладают массой и, следовательно, инерцией: двигали пластины, вращали лопасти. В других - как набор волн, которые способны пересекаться, гасить или усиливать друг друга (например, фотоны, носители света). В итоге ученым пришлось признать: электроны - это и частицы, и волны. Так называемый корпускулярно-волновой дуализм объяснил энергетические уровни атома. Как волна, электрон, который движется по кругу, накладывается сам на себя. Таким образом, если максимум «головы» совпадает с минимумом «хвоста», волна затухает. На определенных расстояниях до центра максимумы совпадают, и электрон может существовать, как бы непрерывно поддерживая себя, создавая энергетические уровни атома.

Химия и электрон

В процессе изучения химических свойств веществ выяснилось, что уровни у каждого из них - свои. То есть у гелия картина иная, чем у водорода, хотя их атомные номера отличаются всего лишь на единицу. Энергетические уровни атомов химических элементов зависят от их общего количества. То есть выходит, что верхние электроны как бы «давят» на нижние уровни, вынуждая их сдвигаться. У строения энергетической оболочки атома есть свои закономерности, которые определяются четырьмя главными квантовыми числами. Зная их, несложно для каждого вида химического элемента рассчитать энергетические уровни электронов.

Совокупность состояний электрона в атоме с одним и тем же значением n называют энергетическим уровнем . Число уровней, на которых находятся электроны в основном состоянии атома, совпадает с номером периода, в котором располагается элемент. Номера этих уровней обозначают цифрами: 1, 2, 3,... (реже - буквами K , L , M , ...).

Энергетический подуровень - совокупность энергетических состояний электрона в атоме, характеризующихся одними и теми же значениями квантовых чисел n и l . Подуровни обозначают буквами: s , p , d , f ... Первый энергетический уровень имеет один подуровень, второй - два подуровня, третий - три подуровня и так далее.

Если на схеме орбитали обозначить в виде ячеек (квадратных рамок), а электроны - в виде стрелок ( или ↓), то можно увидеть, что главное квантовые число характеризуют энергетический уровень (ЭУ), совокупность главного и орбитального квантовых чисел - энергетический подуровень (ЭПУ), совокупность главного, орбитального и магнитного квантовых чисел - атомную орбиталь , а все четыре квантовые числа - электрон.

Каждой орбитали отвечает определенная энергия. Обозначение орбитали включает номер энергетического уровня и букву, отвечающую соответствующему подуровню: 1s , 3p , 4d и т.п. Для каждого энергетического уровня, начиная со второго, возможно существование трех равных по энергии p -орбиталей, расположенных в трех взаимно перпендикулярных направлениях. На каждом энергетическом уровне, начиная с третьего, имеется пять d -орбиталей, имеющих более сложную четырехлепестковую форму. Начиная с четвертого энергетического уровня, появляются еще более сложные по форме f -орбитали; на каждом уровне их семь. Атомную орбиталь с распределенным по ней зарядом электрона нередко называют электронным облаком.

Вопрос 12.

Горизонтальная периодичность

В таких физических свойствах, как энергия ионизации и сродство к электрону, также проявляется горизонтальная периодичность, связанная с периодическим изменением числа электронов на последних энергетических подуровнях:

Вопрос 13.

Вопрос 14.

Магнитные характеристики атома

Электрон обладает собственным магнитным моментом, который квантуется по направлению параллельно или противоположно приложенному магнитному полю. Если два электрона, занимающие одну орбиталь, имеют противоположно направленные спины (согласно принципу Паули), то они гасят друг друга. В этом случае говорят, что электроны спаренные. Атомы, имеющие только спаренные электроны, выталкиваются из магнитного поля. Такие атомы называются диамагнитными. Атомы, имеющие один или несколько неспаренных электронов, втягиваются в магнитное поле. Они называются диамагнитными.

Магнитный момент атома, характеризующий интенсивность взаимодействия атома с магнитным полем, практически пропорционален числу неспаренных электронов.

Особенности электронной структуры атомов различных элементов отражаются в таких энергетических характеристиках, как энергия ионизации и сродство к электрону.

Энергия ионизации

Энергия (потенциал) ионизации атома E i - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из атома на бесконечность в соответствии с уравнением

Х = Х + + е − . Ее значения известны для атомов всех элементов Периодической системы. Например, энергия ионизации атома водорода соответствует переходу электрона с 1s -подуровня энергии (−1312,1 кДж/моль) на подуровень с нулевой энергией и равна +1312,1 кДж/моль.

В изменении первых потенциалов ионизации, соответствующих удалению одного электрона, атомов явно выражена периодичность при увеличении порядкового номера атома:

При движении слева направо по периоду энергия ионизации, вообще говоря, постепенно увеличивается, при увеличении порядкового номера в пределах группы - уменьшается. Минимальные первые потенциалы ионизации имеют щелочные металлы, максимальные - благородные газы.

Для одного и того же атома вторая, третья и последующие энергии ионизации всегда увеличиваются, так как электрон приходится отрывать от положительно заряженного иона. Например, для атома лития первая, вторая и третья энергии ионизации равны 520,3, 7298,1 и 11814,9 кДж/моль, соответственно.

Последовательность отрыва электронов - обычна обратная последовательности заселения орбиталей электронами в соответствии с принципом минимума энергии. Однако элементы, у которых заселяются d -орбитали, являются исключениями - в первую очередь они теряют не d -, а s -электроны.

Сродство к электрону

Сродство атома к электрону A e - способность атомов присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион. Мерой сродства к электрону служит энергия, выделяющая или поглощающаяся при этом. Сродство к электрону равно энергии ионизации отрицательного иона Х − :Х − = Х + е −

Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов. Например, для атома фтора присоединение электрона сопровождается выделением 327,9 кДж/моль энергии. Для ряда элементов сродство к электрону близко к нулю или отрицательно, что значит отсутствие устойчивого аниона для данного элемента.

Обычно сродство к электрону для атомов различных элементов уменьшается параллельно с ростом энергии их ионизации. Однако для некоторых пар элементов имеются исключения:

Объяснение этому можно дать, основываясь на меньших размерах первых атомов и большем электрон-электронном отталкивании в них.

Вопрос 15.

Вопрос 16.

Горизонтальная периодичность

Горизонтальная периодичность заключается в появлении максимальных и минимальных значений свойств простых веществ и соединений в пределах каждого периода. Она особенно заметна для элементов VIIIБ-группы и лантаноидов (например, лантаноиды с четными порядковыми номерами более распространены, чем с нечетными).

В таких физических свойствах, как энергия ионизации и сродство к электрону, также проявляется горизонтальная периодичность, связанная с периодическим изменением числа электронов на последних энергетических подуровнях.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ

СТРОЕНИЕ АТОМА

1. Развитие теории строения атома. С

2. Ядро и электронная оболочка атома. С

3. Строение ядра атома. С

4. Нуклиды, изотопы, массовое число. С

5. Энергетические уровни.

6. Квантово-механическое объяснение строения.

6.1. Орбитальная модель атома.

6.2. Правила заполнения орбиталей.

6.3. Орбитали с s-электронами (атомные s-орбитали).

6.4. Орбитали с p-электронами (атомные p-орбитали).

6.5. Орбитали с d- f-электронами

7. Энергетические подуровни многоэлектронного атома. Квантовые числа.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ

Строение электронной оболочки атома определяется различным запасом энергииотдельных электронов в атоме. В соответствии с моделью атома Бора электроны могут занимать в атоме положения, которым отвечают точно определœенные (квантованные) энергетические состояния. Эти состояния называются энергетическими уровнями.

Число электронов, которые могут находиться на отдельном энергетическом уровне, определяется формулой 2n 2 , где n –номер уровня, который обозначается арабскими цифрами 1 – 7. Максимальное заполнение первых четырех энергетических уровней в. соответствии с формулой 2n 2 составляет: для первого уровня – 2 электрона, для второго – 8, для третьего –18 и для четвертого уровня – 32 электрона. Максимальное заполнение электронами более высоких энергетических уровней в атомах известных элементов не достигнуто.

Рис. 1показывает заполнение электронами энергетических уровней первых двадцати элементов (от водорода Н до кальция Са, черные кружки). Заполняя в указанном порядке энергетические уровни, получают простейшие модели атомов элементов, при этом соблюдают порядок заполнения (снизу вверх и слева направо по рисунку) таким образом, пока последний электрон не укажет на символ соответствующего элементаНа третьем энергетическом уровне М (максимальная емкость равна 18 е - )для элементов Nа – Аr содержится только 8 электронов, затем начинает застраиваться четвертый энергетический уровень N –на нем появляются два электрона для элементов К и Са. Следующие 10 электронов снова занимают уровень М (элементы Sc – Zn (не показаны), а потом продолжается заполнение уровня N еще шестью электронами (элементы Cа-Кr, белые кружки).

Рис. 1

Рис. 2

В случае если атом находится в основном состоянии, то его электроны занимают уровни с минимальной энергией, т. е. каждый последующий электрон занимает энергетически самое выгодное положение, такое, как на рис. 1. При внешнем воздействии на атом, связанном с передачей ему энергии, к примеру путем нагревания, электроны переводятся на более высокие энергетические уровни (рис. 2). Такое состояние атома принято называть возбужденным. Освободившееся на нижнем энергетическом уровне место заполняется (как выгодное положение) электроном с более высокого энергетического уровня. При переходе электрон отдает неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ количество энергии, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ соответствует энергетической разности между уровнями. В результате электронных переходов возникает характерное излучение. по спектральным линиям поглощаемого (излучаемого) света можно сделать количественное заключение об энергетических уровнях атома.

В соответствии с квантовой моделью атома Бора электрон, имеющий определœенное энергетическое состояние, движется в атоме по круговой орбите. Электроны с одинаковым запасом энергии находятся на равных расстояниях от ядра, каждому энергетическому уровню отвечает свой набор электронов, названный Бором электронным слоем. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, по Бору электроны одного слоя двигаются по шаровой поверхности, электроны следующего слоя по другой шаровой поверхности. всœе сферы вписаны одна в другую с центром, отвечающим атомному ядру.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ - понятие и виды. Классификация и особенности категории "ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ" 2017, 2018.

Строение веществ было интересно людям с той поры, как возникла возможность не беспокоиться о пропитании и изучать окружающий мир. Такие явления, как засухи, наводнения, молнии, ужасали человечество. Незнание их объяснений порождало веру в различных злых богов, требующих жертв. Именно поэтому люди начали изучать природные явления, стремясь к их предсказанию, и углубляться в строение веществ. Они изучили и ввели следующие два важных понятия в химии: энергетический уровень и подуровень.

Предпосылки к открытию мельчайших химических веществ

О маленьких частицах, из которых состоят вещества, догадались еще древние греки. Они сделали странное открытие: мраморные ступени, по которым за несколько десятилетий прошло множество людей, изменили свою форму! Это привело к выводу о том, что ступня прошедшего забирает какую-то частичку камня с собой. Данное явление далеко от понимания существования энергетического уровня в химии, но именно с него все началось. Наука начала прогрессивно развиваться и углубляться в строение химических элементов и их соединений.

Начало изучения строения атома

В начале XX века посредством опытов с электричеством был открыт атом. Он считался электронейтральным, но имел положительные и отрицательные составные частицы. Ученые хотели выяснить их распределение внутри атома. Было предложено несколько моделей, одна из которых даже имела название «булочка с изюмом». Британский физик Эрнест Резерфорд провел опыт, который показал, что в центре атома расположено положительное ядро, а отрицательный заряд находится в маленьких электронах, вращающихся вокруг него.

Открытие энергетического уровня в химии стало большим прорывом в изучении строения веществ и явлений.

Энергетический уровень

В ходе изучения свойств химических веществ выяснилось, что каждый элемент имеет свои уровни. Например, у кислорода схема строения одна, а у азота совсем другая, хотя номера их атомов различны лишь на единицу. Так что такое энергетический уровень? Это электронные слои, состоящие из электронов, которые образуются по причине различной силы их притяжения к ядру атома. Одни находятся ближе, а другие - дальше. То есть верхние электроны «давят» на нижние.

Число энергетических уровней в химии равняется номеру периода в Периодической таблице Д. И. Менделеева. Наибольшее количество электронов, которые находятся на данном энергетическом уровне, определяется по следующей формуле: 2n 2 , где n - это номер уровня. Таким образом, на первом энергетическом уровне может быть расположено не более двух электронов, на втором - не более восьми, на третьем - восемнадцати и так далее.

У каждого атома есть уровень, находящийся от его ядра дальше других. Он является крайним, или последним, и называется внешним энергетическим уровнем. на нем для элементов главных подгрупп равняется номеру группы.

Для построения схемы атома и его энергетических уровней в химии нужно следовать такому плану:

• определите число всех электронов атома данного элемента, которое равно его порядковому номеру;
• определите число энергетических уровней по номеру периода;
• определите число электронов на каждом энергетическом уровне.

Примеры схем строения энергетических уровней некоторых элементов смотрите ниже.

Энергетические подуровни

В атомах, помимо энергетических уровней, существуют еще и подуровни. На каждом уровне, в зависимости от числа электронов на нем, заполняются определенные подуровни. От того, как подуровень заполняется, различают четыре типа элементов:

• S-элементы. Происходит заполнение s-подуровней, на которых могут находиться не более двух электронов. К ним относятся первые два элемента от каждого периода;
• P-элементы. В данных элементах может быть не более шести электронов, расположенных на p-подуровне;
• D-элементы. К ним относятся элементы больших периодов (декад), находящиеся между s- и p-элементами;
• F-элементы. Заполнение f-подуровня происходит у актиноидов и лантоноидов, находящихся в шестом и седьмом периодах.

Сегодня поведаем о том, что такое энергетический уровень атома, когда человек сталкивается с этим понятием, и где оно применяется.

Школьная физика

Люди впервые встречаются с естественными науками в школе. И если на седьмом году обучения дети еще находят новые знания по биологии и химии интересными, то в старших классах их начинают бояться. Когда приходит черед атомной физики, уроки по этой дисциплине уже внушают только отвращение к непонятным задачам. Однако стоит помнить, что у всех открытий, которые сейчас превратились в скучные школьные предметы, нетривиальная история и целый арсенал полезных применений. Узнавать, как устроен мир - это как открывать шкатулку с чем-то интересным внутри: всегда хочется найти потайное отделение и обнаружить там еще одно сокровище. Сегодня мы расскажем об одном из базовых физики, строении вещества.

Неделимый, составной, квантовый

С древнегреческого языка слово «атом» переводится как «неделимый, наименьший». Такое представление - следствие истории науки. Некоторые древние греки и индийцы верили, что все на свете состоит из мельчайших частиц.

В современной истории были произведены намного раньше физических исследований. Ученые семнадцатого и восемнадцатого веков работали в первую очередь для увеличения военной мощи страны, короля или герцога. А чтобы создать взрывчатку и порох, надо было понять, из чего они состоят. В итоге исследователи выяснили: некоторые элементы нельзя разделить дальше определенного уровня. Значит, существуют наименьшие носители химических свойств.

Но они ошибались. Атом оказался составной частицей, а его способность изменяться носит квантовый характер. Об этом говорят и переходы энергетических уровней атома.

Положительное и отрицательное

В конце девятнадцатого века ученые вплотную подошли к изучению мельчайших частиц вещества. Например, было понятно: атом содержит как положительно, так и отрицательно заряженные составляющие. Но была неизвестна: расположение, взаимодействие, соотношение веса его элементов оставались загадкой.

Резерфорд поставил опыт по рассеянию альфа-частиц тонкой Он выяснил, что в центре атомов находятся тяжелые положительные элементы, а по краям расположены очень легкие отрицательные. Значит, носителями разных зарядов являются не похожие друг на друга частицы. Это объясняло заряд атомов: к ним можно было добавить элемент или удалить его. Равновесие, которое поддерживало нейтральность всей системы, нарушалось, и атом приобретал заряд.

Электроны, протоны, нейтроны

Позже выяснилось: легкие отрицательные частицы - это электроны, а тяжелое положительное ядро состоит из двух видов нуклонов (протонов и нейтронов). Протоны отличались от нейтронов только тем, что первые были положительно заряженными и тяжелыми, а вторые имели только массу. Изменить состав и заряд ядра сложно: для этого требуются неимоверные энергии. А вот электроном атом делится гораздо легче. Есть более электроотрицательные атомы, которые охотнее «отбирают» электрон, и менее электроотрицательные, которые скорее «отдадут» его. Так формируется заряд атома: если электронов избыток, то он отрицательный, а если недостаток - то положительный.

Длинная жизнь вселенной

Но такое строение атома озадачивало ученых. Согласно господствовавшей в те времена классической физике, электрон, который все время двигался вокруг ядра, должен был непрерывно излучать электромагнитные волны. Так как этот процесс означает потерю энергии, то все отрицательные частицы вскоре потеряли бы свою скорость и упали на ядро. Однако вселенная существует уже очень долго, а всемирной катастрофы еще не произошло. Назревал парадокс слишком старой материи.

Постулаты Бора

Объяснить несоответствие смогли постулаты Бора. Тогда это были просто утверждения, скачки в неизвестное, которые не подтверждались расчетами или теорией. Согласно постулатам, существовали в атоме энергетические уровни электронов. Каждая отрицательно заряженная частица могла находиться только на этих уровнях. Переход между орбиталями (так назвали уровни) осуществляется прыжком, при этом выделяется или поглощается квант электромагнитной энергии.

Позже открытие Планком кванта объяснило такое поведение электронов.

Свет и атом

Количество энергии, необходимой для перехода, зависит от расстояния между энергетическими уровнями атома. Чем они дальше друг от друга, тем больше выделяемый или поглощаемый квант.

Как известно, свет - это и есть квант электромагнитного поля. Таким образом, когда электрон в атоме переходит с более высокого на более низкий уровень, он творит свет. При этом действует и обратный закон: когда электромагнитная волна падает на предмет, она возбуждает его электроны, и они переходят на более высокую орбиталь.

Кроме того, энергетические уровни атома индивидуальны для каждого вида химического элемента. Узор расстояний между орбиталями различается для водорода и золота, вольфрама и меди, брома и серы. Поэтому анализ спектров испускания любого объекта (в том числе и звезды) однозначно определяет, какие вещества и в каком количестве в нем присутствуют.

Применяется этот метод невероятно широко. Спектральный анализ используется:

• в криминалистике;
• в контроле качества еды и воды;
• в производстве товаров;
• в создании новых материалов;
• в усовершенствовании технологий;
• в научных экспериментах;
• в исследовании звезд.

Этот перечень лишь примерно показывает, насколько полезным оказалось открытие электронных уровней в атоме. Электронные уровни - самые грубые, самые большие. Существуют более мелкие колебательные, и еще более тонкие вращательные уровни. Но они актуальны только для сложных соединений - молекул и твердых тел.

Надо сказать, что структура ядра до сих пор не исследована до конца. Например, нет ответа на вопрос о том, почему определенному количеству протонов соответствует именно такое число нейтронов. Ученые предполагают, что атомное ядро тоже содержит некий аналог электронных уровней. Однако до сих пор это не доказано.