Векторная модель многоэлектронного атома

- 1 -

11.1 Микросостояния и атомные термы в приближении Рассела-Саундерса.

Этот раздел целесообразно рассмотреть на конкретных примерах.

Содержание. Электронная конфигурация. Микросостояния и их систематизация. Порядок учёта кулоновских взаимодействий и постадийная классификация дискретных электронных уровней и состояний атома (электронно-ядерное притяжение и орбитальные уровни, межэлектронное отталкивание и атомные термы Рассел-Саундерса, спиновая корреляция и запрет Паули). Суммарные квантовые числа ML,MS,L,S. Атомное внутреннее квантовое число J. Термы нормальные и обращённые. Правила Хунда (1-е, 2-е и 3-е). Относительная шкала энергии атомных термов. Спектральные переходы и правила отбора. Атомные уровни в магнитном поле, эффект Зеемана (практикум).

Электронная конфигурация представляет собой исходное понятие. Оно определяется в нулевом приближении в оценке энергии. Далее постепенно учитываются всё более тонкие взаимодействия, и возникает более точная картина состояний и уровней многоэлектронного атома. Если атомный подуровень заселён не полностью, то возникает несколько различных микросостояний. Их характеристики непосредственно определяются комбинаторикой размещений электронов в системе спин-орбиталей.

Если n электронов заселяют g спин-орбиталей, то одно из формальных обозначений конфигурации (g,n). В её пределах число возможных микросостояний определяется согласно статистике Ферми: (g,n) = g!/[n! (g - n)!].

Пример 1: основная электронная конфигурация атома углерода C (1s22s22p2).

Конфигурация p2 (атомы IV группы элементов C, Si ...). (6,2) = 6! / [2! (6 -2) !]=15

Перечислим все возможные варианты орбитальных размещений и спиновых комбина-ций 2-х электронов на трёх АО:

Орбитальные распределения двух электронов

Возможно всего шесть размещений внутри p-АО без учёта спина Орбитальные распре-деления можно охарак-теризовать комбинаци-ями квантовых чисел частиц (m1, m2): (+1,+1) А ( 0, 0) Б ( -1, -1) В (+1, 0) Г ( +1, -1) Д ( 0, -1) Е

Комбинации пространственных (орбитальных) состояний частиц в коллективе легко описать разными способами. Возможные спиновые комбинации в системе двух частиц-фермионов с половинным спином (электронов, протонов) можно представить разными способами. Можно изобразить ориентации спинов разными символами (стрелками, знаками или греческими буквами). Результат сложения компонент момента импульса вдоль оси вращения представим в одной из строк таблицы значениями суммарного магнитного квантового числа. Все возможные комбинации спиновых векторноотдельных электронов попадут в таблицу:

Способ 1	­­	­¯	¯­	¯¯	Эти три способа
Способ 2	(++)	(– +)	(–+)	(– –)	Описания
Способ 3	aa	ab	ba	bb	Идентичны
	Можно как-либо еще, а в итоге будет:	где MS(1,2)= mS(1)+ mS(2)
MS(1,2)	1	0	0	-1
	MS(1,2)	+1	0	–1
	Микросостояния в рамке, выделенные на тёмном фоне, принципу Паули не удовлетворяют и должны быть исключены из дальнейшего анализа	A aa	Аab º Аba	Аbb
	A aa	Бab º Бba	A bb
	A aa	Вab º Вba	A bb
	Гaa	Гab	Гba	Гbb
	Дaa	Дab	Дba	Дbb

Из сочетания одного из орбитальных и одного из спиновых распределений с учётом запрета Паули (на одной и той же орбитали запрещены комбинации с параллельными спинами aa и bb) получается одна из возможных спин-орбитальных комбинаций. Такую комбинацию (размещение) называют микросостоянием оболочки. Микросостояния, выделенные жирным шрифтом в каждой отдельной ячейке таблицы, физически тождественны (º). Нет способов различить состояния отдельных частиц в пределах общей орбитали - фазовой ячейки. Всего получено 15 микросостояний электронной оболочки в исследуемой конфигурации. Сравним разные приёмы табулирования признаков микросостояний.

Например:

1	0	-1		M>L>= m>l>(1)+m>l>(2)	M>S>= m>l>(1)+m>l>(2)
­¯			Аab	2	0
	­¯		Бab	0	0
		­¯	Вab	-2	0
­	­		Гaa	1	1
­	¯		Гab	1	0
¯	­		Гba	1	0
¯	¯		Гbb	1	-1
­		­	Дaa	0	1
­		¯	Дab	0	0
¯		­	Дba	0	0
¯		¯	Дbb	0	-1
	­	­	Еaa	-1	1
	­	¯	Еab	-1	0
	¯	­	Еba	-1	0
	¯	¯	Еbb	-1	-1

С помощью двойки чисел (ML, MS) можно частично охарактеризовать микросостояние оболочки, но это ещё не исчерпывающая характеристика.

Основное! Согласно законам сохранения в стационарных циклических движениях в классической механике следует, что в отсутствие внешних воздействий сохраняющимися динамическими величинами являются скалярная величина - энергия и векторная величина-момент импульса: . Эти законы сохранения справедливы и в квантовой механике, и коллективные многоэлектронные стационарные состояния оболочки атома, которые обозначим с помощью волновых функций , характеризуются постоянстовом этих величин.

10.1 Из-за неразрешимой сложности задачи невозможно получить весь спектр состояний-уровней многоэлектронного атома дедуктивным математическим способом подобно тому, как это делается в простых задачах квантовой механики в том числе и для водородоподобного атома. Количественный расчёт даже отдельного электронного уровня атома весьма непростая задача, но, тем не менее, классификация многоэлектронных состояний (и уровней) оболочки возможна и без количественной точности. Это достигается с помощью анализа вектора возможного момента импульса, и делается это как бы в обход прямого анализа уровней энергии. Оказывается достаточным классифицировать свойства суммарных орбитального и спинового моментов электронной оболочки. Эта классификация несложна, и достаточно наглядна.

Воспользуемся для неё следующими свойствами:

10.2. Основной характеристикой каждого стационарного состояния электронной оболочки является полная энергия – суммарный энергетический уровень. Энергия стационарного уровня является сохраняющейся скалярной величиной. В стационарном состоянии оболочки суммарный орбитальный момент импульса также сохраняется подобно тому, как это имеет место в орбитальном движении планет. Подобно энергии, момент импульса также является постоянной динамической характеристикой оболочки.

Момент импульса оболочки является векторно-аддитивной величиной и складывается из орбитальных моментов отдельных частиц.

Спиновое движение не зависит от орбитального, но его свойства подобны орбитальным. По этой причине отдельно суммируются спиновые моменты, и возникает самостоятельная динамическая характеристика электронной оболочки спиновый момент (энергия, орбитальный момент)

Комплект суммарных квантовых чисел (L, S) является квантовой характеристикой оболочки, которая в пределах определённой электронной конфигурации позволяет классифицировать набор состояний, относящихся к общему суммарному энергетическому уровню на данной стадии учёта элекростатических взаимодействий.

Удобно построить таблицу, в которой символически размещены микросостояния. Вдоль горизонтали таблицы расположим значения суммарного квантового числа MS и подобным же образом вдоль вертикали будем изменять значения суммарного орбитального числа ML.

В клетках этой таблицы разместим символы соответствующих микросостояний, представленных в предыдущей таблице. Это выглядит следующим образом:

ML	MS	+1	0	-1
+2			Аab
+1		Гaa	Гab Гba	Гbb
0		Дaa	Бab Дab Дba	Дbb
-1		Еaa	Еab Еba	Еbb
-2			Вab

Удобство этой таблицы состоит в том, что она позволяет увидеть в деталях схему распределения микросостояний по квантовым числам. При соблюдении несложных правил возникает возможность построить приближённые волновые функции. Для качественного анализа такая детализация не нужна, и можно упростить картину, придав таблице вид:

ML	MS	+1	0	-1
+2			
+1			 	
0			  	
-1			 	
-2			

Произведём из неё выборку микросостояний, и сгруппируем их в следующие наборы:

1-я группа 2-я группа 3-я группа

В каждом из этих наборов суммарные характеристики микросостояний, т.е. квантовые числа ML и MS, определяющие проекции и орбитального, и спинового моментов импульса оболочки, последовательно пробегают все значения. В итоге микросостояния оказываются просто отдельными подсостояниями в таких наборах, каждый из которых характеризуется единым значением модуля вектора и независимо единым значением модуля вектора . Каждый такой набор микросостояний принадлежит к одному определённому коллективному электронному уровню энергии. Такой коллективный уровень называется терм.

Каждая терм характеризуется двумя суммарными квантовыми числами L и S, и на данной стадии анализа объединяет серию микросостояний оболочки атома. Кратность вырождения терма определяется числом принадлежащих ему микросостояний и равна произведению (2L+1)(2S+1).

Номенклатура термов учитывает, прежде всего, два признака:

во-первых, величину орбитального момента импульса:

По величине суммарного L термы называются:

во-вторых, величину суммарного спина (мультиплетность)

По величине суммарного спина S вводится мультиплетность:

Символ атомного терма Рассел-Саундерса имеет вид

По этим признакам электронная конфигурация порождает 15 микросостояний электронной оболочки, которые группируются в три терма:

Пример 2: Первая возбужденная конфигурация атома Be(1s22s12p1). Микросостояния и термы.

Микросостояния электронной оболочки атома бериллия в основной и двух последующих возбуждённых конфигурациях: (2s2 ), (2s12p1), (2p2)

АО		2s	2p	ML	MS
ml		0	+1	0	-1
Конфигурация
2s2 (основ)		­¯				0	0
	А	­	­			+1	+1
	Б	­		­		0	+1
	В	­			­	-1	+1
	Г	­	¯			+1	0
	Д	­		¯		0	0
2s12p1(1-я возб.)	Е	­			¯	-1	0
	Ж	¯	­			+1	0
	З	¯		­		0	0
	И	¯			­	-1	0
	К	¯	¯			+1	-1
	Л	¯		¯		0	-1
	М	¯			¯	-1	-1
			­¯			+2	0
2p2 (2-я возб.)				­¯		0	0
					­¯	-2	0

Первая возбуждённая конфигурация атома содержит следующие микросостояния, которые группируются в два терма: и .

M>L>	M>S>	+1	0	-1
+1		а	г ж	к
0		б	д з	л
-1		в	е и	м

Спин-орбитальный эффект приводит к тому, что термы Рассел-Саундерса расщепляются на несколько подуровней, каждый из которых характеризуется внутренним квантовым числом, принимающим значения . Внутреннее квантовое число определяет модуль суммарного момента импульса электронной оболочки. Спин-орбитальный эффект возникает в том случае, когда оба из независимых моментов импульса электронной оболочки атома, орбитальный и спиновый не равны нулю. Если же хотя бы один из них равен нулю, то спин-орбитальный эффект не имеет места.

Низший из атомных термов на шкале энергии (основной) определяется на основе трёх правил Хунда.

1-е правило Хунда: В пределах орбитальной конфигурации основной терм обладает максимальной мультиплетностью.

2-е правило Хунда: Если в пределах орбитальной конфигурации у нескольких термов мультиплетность одинакова, то у основного терма орбитальный момент наибольший и квантовое число L максимальное.

3-е правило Хунда: В пределах конфигурации у низшего терма внутреннее квантовое число J минимальное (нормальный терм), если оболочка атома заполнена менее, чем наполовину, и, число J максимальное при заполнении оболочки более, чем наполовину (обращённый терм).

Символы атомного терма Рассел-Саундерса, учитывающие спин-орбитальный эффект, записываются в виде . Эти термы отражают схему последовательных приближений в учёте различных слагаемых полной энергии коллектива электронов в атомной оболочке.

Резюме: Начальное приближение называют одноэлектронным приближением, а в теории атома его же называют принципом водородоподобия. В одноэлектронном (нулевом) приближении все электроны рассматриваются независимо. Энергия взаимного отталкивания электронов частично учитывается искусственным способом в виде эффекта экранирования ядра «внутренними» электронами.

Эффект экранирования положительно заряженного ядра отрицательно заряженным электронным облаком учитывается тем, что в формуле потенциальной энергии электростатического притяжения одиночного электрона к ядру заряд ядра уменьшается на некоторую функцию экранирования, зависящую и от заряда ядра и от совокупности квантовых чисел.

Полученный модифицированный кулоновский потенциал перестаёт быть простой радиальной функцией обратно пропорционального вида, как это имеет место у точечного заряда. Такой потенциал, введённый в уравнение Шрёдингера для единичного электрона, отдает расщепление вырожденного орбитального уровня. Энергия орбитального (одноэлектронного) уровня зависит уже не только от главного, но и от побочного квантового числа, становясь функцией двух дискретных параметров Enl.

Последовательность орбитальных уровней (уровней АО) удаётся выразить в достаточно универсальной форме в виде правила Клечковского-Маделунга. На этой стадии решение очень сложной многоэлектронной задачи заменено решением задачи о состояниях одного-единственного электрона, и его атомные орбитали рассматриваются как эталонные для всех электронов оболочки. В этом приближении энергетические схемы орбиталей отдельных электронов качественно идентичны, и друг от друга не отличаются. Поэтому для построения первичной схемы распределения электронов в оболочке по одноэлектронным состояниям используется один набор АО единственного электрона.

Нулевое приближение учитывает основную часть электростатической энергии кулоновского притяжения электронов к ядру. Согласно оценкам Томаса-Ферми эта энергия нулевого приближения составляет около 83-85% полной энергии атомной оболочки.

Полная энергия оболочки на этой стадии аддитивна и равна просто сумме одно электронных (орбитальных) энергий.

В первом приближении учитывается энергия межэлектронного электростатического отталкивания. Её основная часть может быть представлена в виде энергии отталкивания электронного облака, сформированного на заполненных атомных орбиталях.

В результате выявляется, что микросостояния, возникающие при размещении электронов на внешних заполненных орбиталях, разделяются на неравноценные группы. Их группировка основана на независимости в оболочке атома суммарных квантовых векторов моментов импульса орбитального и спинового движений электронов.

При объединении групп микросостояний по признакам этих моментов импульса, формируются термы. В пределах каждого терма квантовое число проекции каждого из независимых моментов ML и MS пробегает весь набор необходимых значений от максимального до минимального: MLmin ML MLmax и MSminMSMSmax, откуда для них определяются общие суммарные характеристики терма

L = MLmax =| MLmin| и S= MSmax =| MSmin|

Терм оказывается одним из результирующих многоэлектронных уровней оболочки. Характеристиками такого уровня долны быть орбитальная электронная конфигурация и суммарные орбитальное и спиновое квантовые числа. В общем случае терм вырожден. Кратность вырождения это число микросостояний с равной энергией, объединённых в терм. На этой первой стадии приближения она определяется формулой (2L+1) (2S+1).

Во втором приближении учитываются энергетические поправки, появляющиеся за счёт спин-орбитального эффекта. Эти эффекты имеют релятивистское происхождение и формально связываются со взаимодействиями магнитных моментов орбитального и спинового происхождения. Эти поправки имеют второй порядок малости, и примерно на три порядка меньше энергии электронно-ядерных взаимодействий. Термы, порождаемые во втором приближении, также вырождены, и их кратность вырождения равна (2J+1).

Периодическая система Менделеева и некоторые свойства элементов. Содержание. Электронные конфигурации элементов. Правило Унзольда, устойчивость сферических оболочек. Кажущиеся "аномалии" основных конфигураций d-элементов I, VI, VIII групп Периодической системы. “Сферические" и "несферические" электронные конфигурации:

I Б	VI Б	VIII Б
29Cu(3d104s1);	24Cr(3d54s1);	28Ni(3d84s2);
47Ag(4d105s1);	42Mo(4d55s1);	46Pd(4d105s0);
79Au(5d106s1);	74W(5d46s2);	78Pt(5d96s1);

Также и в V периоде прослеживается «аномалия». На самом деле она ярко свидетельствует, что внешний валентный слой этих элементов образован электронами, заселяющими очень близкие уровни одноэлектронные уровни 4d+5s – АО...

42Mo(4d55s1);

43Tc(4d55s2);

44Ru(4d75s1);

45Rh(4d75s1);

46Pd(4d105s0);