Bài giảng Vật lý 2: Chương 7b - Lê Quang Nguyên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật lý 2: Chương 7b cung cấp cho người học những kiến thức về nguyên tử nhiều electron, từ tính của nguyên tử. Những nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Trạng thái của electron, năng lượng của electron, các đại lượng vật lý, cấu hình electron, nguyên tử kim loại kiềm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý 2: Chương 7b - Lê Quang Nguyên

I. Nguyên tử nhiều electron 1. Trạng thái của electron Nguyên tử nhiều electron, 2. Năng lượng của electron 3. Các đại lượng vật lý Từ tính của nguyên tử 4. Cấu hình electron Lê Quang Nguyên 5. Nguyên tử kim loại kiềm www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen 6. Câu hỏi nguyenquangle59@yahoo.com 1. Trạng thái (hàm sóng) của electron 2. Mức năng lượng • Trạng thái của electron được xác định bởi bốn • Năng lượng tăng theo tổng (n + l). 5s số lượng tử n, l, m, và ms. • Nếu có cùng tổng (n + l) thì mức có Tên gọi Giá trị Số giá trị n nhỏ là mức thấp hơn. 4p l=0 l=1 l=2 l=3 l=4 3d Số lượng tử chính n 1, 2, … ∞ ∞ n = 1 1s 4s Số lượng tử quỹ đạo l 0, 1, … (n – 1) n n = 2 2s 2p 3p n = 3 3s 3p 3d Số lượng tử từ m 0, ±1, … ±l 2l + 1 3s n = 4 4s 4p 4d 4f 2p Số lượng tử spin ms ±½ 2 n = 5 5s 5p 5d 5f 5g 2s 1s
3. Các đại lượng vật lý 4a. Lớp và phân lớp – 1 • Ở mỗi trạng thái xác định bởi bốn số lượng tử n, l, m, và ms electron có: Năng lượng Enl • Nguyên lý Pauli: chỉ có tối đa một electron ở mỗi trạng thái. Momen động L = ℏ l ( l + 1) • Lớp là tập hợp các electron có cùng số lượng tử Momen động đối với một Lz = ℏm chính n. trục z • Phân lớp là tập hợp các electron có cùng (n, l), Momen spin đối với trục z S z = ℏmS tức là có cùng mức năng lượng Enl . 4a. Lớp và phân lớp – 2 4a. Lớp và phân lớp – 3 • Số e− tối đa trong một phân lớp = số trạng thái có cùng (n, l). Lớp K L M • Với (n, l) xác định có (2l + 1) giá trị khác nhau n=1 n=2 n=3 của m và 2 giá trị khác nhau của ms. Phân 1s 2s 2p 3s 3p 3d • Số e− tối đa trong một phân lớp = (2l + 1) × 2. lớp l=0 l=0 l=1 l=0 l=1 l=2 • Số e− tối đa trong một lớp n = tổng số e− tối đa trong các phân lớp có cùng n: 2× 2 2 6 2 6 10 n−1 (2l + 1) ∑2(2l + 1) = 2n l =0 2 2n2 2 8 18
4b. Ví dụ 1 4b. Ví dụ 2 • Mức 2s (n = 2, l = 0) có tối đa Orbital là nhóm • Mức 3p (n = 3, l = 1) có tối đa bao nhiêu bao nhiêu electron? hai trạng thái có electron? • (2l + 1) × 2 = 2 electron trong cùng ba số • (2l + 1) × 2 = 6 electron trong ba orbital. lượng tử n, l và một orbital. • (3, 1, 0, ½), (3, 1, 0, − ½). m. • (2, 0, 0, ½) và (2, 0, 0, − ½). • (3, 1, 1, ½), (3, 1, 1, − ½). Hai e− trong một orbital có spin • (3, 1, − 1, ½), (3, 1, − 1, − ½). ngược chiều gọi là hai e− “kết cặp”. n = 2, l = 0, m = 0 m=0 m=1 m = −1 4c. Cấu hình electron – 1 4c. Cấu hình electron – 2 • Cấu hình electron: cách sắp xếp electron vào • Quy tắc Hund: khi có nhiều orbital có cùng các mức năng lượng từ thấp đến cao khi năng lượng, chúng được lấp đầy sao cho số nguyên tử ở trạng thái không kích thích. electron không kết cặp là tối đa. Electron kết Electron không kết cặp cặp
4d. Cấu hình electron kim loại kiềm 5a. Kim loại kiềm: Electron hóa trị • Cấu hình electron của Na (có 11 e−)? • Electron hóa trị trong nguyên tử kim loại kiềm • 1s2 2s2 2p6 3s1 có các mức năng lượng xác định bởi: • Cấu hình electron của K (có 19 e−)? Rhc • 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 Enl = − ( n + xl ) 2 • Nguyên tử kim loại kiềm cũng có một electron 13,6 hóa trị như nguyên tử hydrô. E nl = − ( eV ) ( n + xl ) 2 • Minh họa. • xl phụ thuộc vào số lượng tử quỹ đạo l và kim loại kiềm đang xét. 5b. Phổ kim loại kiềm 6. Câu hỏi 1 Ứng với số lượng tử n xác định, có bao nhiêu trạng thái được xác định bởi ba số lượng tử (n, l, Dãy Dãy Dãy Dãy m): chính phụ II phụ I cơ bản (a) 2n + 1 Li 2s – np 2p – ns (b) 2n2 2p – nd 3d – nf (c) n2 Na 3s – np 3p – ns (d) 2n n−1 Δl = −1 Δl = 1 Δl = −1 Δl = −1 • Số trạng thái cần tìm = ∑ (2l + 1) = n l =0 2
6. Câu hỏi 2 6. Câu hỏi 3 Lớp M có bao nhiêu lớp con, trong đó lớp con nào Electron trong nguyên tử đang ở trạng thái d thì chứa nhiều e− nhất, lớp con này chứa tối đa bao momen động có giá trị nào sau đây và có mấy khả nhiêu e−? năng định hướng trong không gian: (a) 2 lớp con, lớp p, tối đa 2 e−. (a) L = 0, 1 khả năng định hướng. (b) 3 lớp con, lớp d, tối đa 10 e−. (b) L = 21/2ħ, 3 khả năng định hướng. (c) 4 lớp con, lớp f, tối đa 14 e−. (c) L = 61/2ħ, 5 khả năng định hướng. (d) Chưa thể trả lời vì chưa biết có để ý đến spin (d) L = 2(3)1/2ħ, 7 khả năng định hướng. hay không. 6. Trả lời câu hỏi 3 6. Câu hỏi 4 • l = 2 → L = ℏ l ( l + 1) = ℏ 6 Electron hóa trị trong nguyên tử Li, khi chuyển từ mức nD xuống mức thấp hơn, có thể phát ra vạch • m có (2l + 1) = 5 giá trị → Lz = ħm có 5 giá trị quang phổ có tần số thỏa công thức: z (a) hν = 2S − nD 2ħ m=2 m=1 (b) hν = 2P − nD ħ (c) hν = 3F − nD m=0 (d) hν = 2F − nD –ħ m = –1 –2ħ m = –2 • (a) không thỏa quy tắc chọn lọc Δl = ±1 • (c) và (d) sai vì không tồn tại mức 3F và 2F
II. Từ tính của nguyên tử 1a. Momen từ quỹ đạo • Electron quay quanh nhân tạo nên một dòng điện, momen từ của dòng điện này được gọi là 1. Từ tính của electron momen từ quỹ đạo. 2. Hiệu ứng Zeeman • Giữa momen từ quỹ đạo và momen động quỹ đạo có mối liên hệ sau: 3. Tương tác spin-quỹ đạo 4. Câu hỏi e µ =− L 2me • Dấu trừ cho thấy momen từ ngược chiều momen động. 1a. Momen từ quỹ đạo – Minh họa 1a. Hình chiếu momen từ quỹ đạo • Hình chiếu của momen từ quỹ đạo trên một L trục cũng bị lượng tử hóa: e ℏe µz = − Lz = −m 2me 2me • hay: µz = −mµB m = 0, ±1, ±2,..., ±l • với μB là magneton Bohr: ℏe μ µB = 2me
1b. Momen từ spin 1b. Hình chiếu momen từ spin • Electron tự quay tạo nên một dòng điện, • Hình chiếu của momen từ spin trên một trục momen từ của dòng điện này được gọi là cũng bị lượng tử hóa: momen từ spin. e ℏe • Giữa momen từ spin và momen động spin có µ sz = − S z = −2ms mối liên hệ sau: me 2me e • hay: µs = − S me µ sz = −2ms µB ms = ± 1 2 • Minh họa 1c. Năng lượng từ 2. Hiệu ứng Zeeman – 1 • Momen từ μ đặt trong từ trường B hướng theo • Trong từ trường ngoài, năng lượng của trục z sẽ có thêm một năng lượng từ U: electron trở thành: U = −µ ⋅ B E ′ = Enl − µz B = Enl + mµB B U = −µz B • với Enl là năng lượng khi B = 0. • Khi B ≠ 0 năng lượng của electron phụ thuộc vào ba số lượng tử n, l và m. • Trong từ trường mỗi mức năng lượng Enl tách thành (2l + 1) mức.
2. Hiệu ứng Zeeman – 2 2. Hiệu ứng Zeeman – 3 • Khi electron thay đổi trạng thái thì phát ra B=0 B≠0 photon có năng lượng: 7s m=0 hf ′ = hf + ∆mµB B • với Δm tuân theo quy tắc chọn lọc: ∆m = 0, ± 1 m=1 μBB • Trong từ trường mỗi vạch quang phổ có 6p m=0 năng lượng hf tách thành ba vạch: hf, hf + μBB μBB và hf – μBB (vạch bội ba). m = −1 2. Hiệu ứng Zeeman – 4 3a. Tương tác spin-quỹ đạo • Là tương tác giữa momen từ spin và quỹ đạo B=0 B≠0 của electron, chỉ thể hiện rõ khi từ trường yếu. • Với nguyên tử có một electron hóa trị, khi có 7s m=0 tương tác spin-quỹ đạo thì năng lượng electron hf − μBB phụ thuộc vào n, l và j. hf hf • j là số lượng tử momen toàn phần, xác định độ hf + μBB lớn của momen động toàn phần J: m=1 J = ℏ j( j + 1) j = l ± 12 6p m=0 m = −1 • Quy tắc chọn lọc đối với j: ∆j = 0, ± 1
3a. Tương tác spin-quỹ đạo (tt) 3b. Cấu trúc tế vi • Mỗi mức năng lượng có l ≠ 0 đều tách thành hai Xét dịch chuyển Khi có tương tác spin-quỹ đạo mức, mức có j lớn hơn là mức cao hơn. 2s − 3p của Li j = 3/2 n l j Mức 3p j = 1/2 1 0 1/2 12s1/2 0 1/2 22s1/2 2 1/2 22p1/2 1 2s j = 1/2 3/2 22p3/2 Hai vạch phổ (vạch kép) rất gần nhau, tạo nên cấu trúc tế vi của phổ 4. Câu hỏi 1 4. Trả lời câu hỏi 1 Vạch quang phổ có tần số ν, thỏa công thức hf = Khi có tương tác spin-quỹ đạo 3D – 5F, khi để ý đến spin sẽ tách thành: j = 7/2 (a) 2 vạch 5f j = 5/2 (b) 4 vạch (c) 3 vạch X (d) không bị tách j = 5/2 3d j = 3/2 Câu trả lời đúng là (c)
4. Câu hỏi 2 4. Trả lời câu hỏi 2 Đối với nguyên tử kim loại kiềm, khi kể tới spin Dãy chính ứng với Khi có tương tác spin-quỹ đạo thì các vạch trong dãy chính là: 2s − np, 3s − np … j = 3/2 (a) Vạch đơn np j = 1/2 (b) Vạch kép (c) Vạch bội ba (d) Chưa xác định được vì chưa biết rõ đây là nguyên tử kim loại kiềm nào. 2s j = 1/2 Câu trả lời đúng là (b) 4. Câu hỏi 3 4. Câu hỏi 4 Chọn phát biểu đúng: Khi cho bức xạ Hydro đi qua từ trường và quan sát theo phương vuông góc với vectơ cảm ứng từ, (a) Mọi mức năng lượng đều có cấu tạo bội. ta thấy mỗi vạch quang phổ bị tách thành: (b) Năng lượng của electron là do tương tác giữa electron và hạt nhân. (a) 3 vạch (c) Mọi vạch phổ đều có cấu tạo kép. (b) 2 vạch (d) Mỗi trạng thái lượng tử ứng với ba số lượng tử n, (c) 4 vạch l, m có thể có tối đa 2 electron phụ thuộc vào sự định hướng của momen spin. (d) không bị tách • Câu trả lời đúng là (d).
4. Trả lời câu hỏi 4 • Các electron có momen từ vuông góc với từ trường ngoài sẽ không bị từ trường ảnh hưởng. Các vạch phổ không bị tách làm ba bởi hiệu ứng Zeeman. • Câu trả lời đúng là (d).