Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Электроны ядра - это электроны в атоме , которые не являются валентными электронами и не участвуют в химической связи . [1] Ядро и остовные электроны атома образуют остов атома. Электроны ядра прочно связаны с ядром. Следовательно, в отличие от валентных электронов, остовные электроны играют второстепенную роль в химических связях и реакциях, экранируя положительный заряд атомного ядра от валентных электронов. [2]

Количество валентных электронов элемента может быть определено группой периодической таблицы элемента (см. Валентный электрон ):

Все другие невалентные электроны атома этого элемента считаются остовными электронами.

Орбитальная теория [ править ]

Более сложное объяснение разницы между остовными и валентными электронами можно описать с помощью теории атомных орбиталей.

В атомах с одним электроном энергия орбитали определяется исключительно главным квантовым числом n. Орбиталь n = 1 имеет наименьшую возможную энергию в атоме. При больших n энергия увеличивается настолько, что электрон может легко вырваться из атома. В одноэлектронных атомах все уровни энергии с одним и тем же главным квантовым числом вырождены и имеют одинаковую энергию.

В атомах с более чем одним электроном энергия электрона зависит не только от свойств орбитали, на которой он находится, но и от его взаимодействия с другими электронами на других орбиталях. Это требует учета квантового числа l. Более высокие значения l связаны с более высокими значениями энергии; например, состояние 2p выше, чем состояние 2s. Когда l = 2, увеличение энергии орбитали становится достаточно большим, чтобы вытолкнуть энергию орбитали выше энергии s-орбитали в следующей более высокой оболочке; при l = 3 энергия проталкивается в оболочку на две ступени выше. Заполнение трехмерных орбиталей не происходит до тех пор, пока не будут заполнены 4s-орбитали.

Увеличение энергии подоболочек с увеличивающимся угловым моментом в более крупных атомах связано с эффектами электрон-электронного взаимодействия и, в частности, связано со способностью электронов с низким угловым моментом более эффективно проникать к ядру, где они менее экранированы. от заряда промежуточных электронов. Таким образом, в атомах с более высоким атомным номером l электронов становится все более и более определяющим фактором их энергии, а главные квантовые числа n электронов становятся все менее и менее важными в их энергетическом размещении. Энергетическая последовательность первых 35 подоболочек (например, 1s, 2s, 2p, 3s и т. Д.) Приведена в следующей таблице [не показана?]. Каждая ячейка представляет подоболочку, где n и l задаются индексами строки и столбца соответственно. Число в ячейке - подоболочка 's положение в последовательности. См. Таблицу Менделеева ниже, организованную по подоболочкам.

Периодическая таблица, организованная атомными орбиталями.

Атомное ядро [ править ]

Атомное ядро ​​относится к атому без валентных электронов . [3]

Ядро атома имеет положительный электрический заряд . Масса ядра почти равна массе атома. Ядро атома с достаточной точностью можно считать сферически-симметричным. Радиус ядра как минимум в три раза меньше радиуса соответствующего атома (если рассчитать радиусы теми же методами). Для тяжелых атомов радиус ядра немного увеличивается с увеличением числа электронов. Радиус ядра самого тяжелого природного элемента - урана - сравним с радиусом атома лития, хотя у последнего всего три электрона.

Химические методы не могут отделить электроны ядра от атома. При ионизации пламенем или ультрафиолетовым излучением ядра атомов, как правило, также остаются целыми.

Релятивистские эффекты [ править ]

Для элементов с высоким атомным номером Z релятивистские эффекты могут наблюдаться для остовных электронов. Скорости s-электронов ядра достигают релятивистского импульса, что приводит к сжатию 6s-орбиталей относительно 5d-орбиталей. Физические свойства, на которые влияют эти релятивистские эффекты, включают пониженную температуру плавления ртути и наблюдаемый золотистый цвет золота и цезия из-за сужения энергетической щели. [4] Золото кажется желтым, потому что оно поглощает синий свет больше, чем другие длины волн видимого диапазона, и поэтому отражает обратно желтый свет.

Золотой спектр

Электронный переход [ править ]

Остовный электрон может быть удален со своего остовного уровня после поглощения электромагнитного излучения. Это либо возбудит электрон к пустой валентной оболочке, либо заставит его испускаться как фотоэлектрон из-за фотоэлектрического эффекта . Образовавшийся атом будет иметь пустое пространство в основной электронной оболочке, часто называемое стержневой дырой . Он находится в метастабильном состоянии и распадется в течение 10 -15 с, высвобождая избыточную энергию за счет рентгеновской флуоресценции (как характерного рентгеновского излучения ) или за счет эффекта Оже . [5]Обнаружение энергии, испускаемой валентным электроном, падающим на орбиталь с более низкой энергией, дает полезную информацию об электронной и локальной решетчатой ​​структуре материала. Хотя большую часть времени эта энергия выделяется в виде фотона , она также может быть передана другому электрону, который выбрасывается из атома. Этот второй выброшенный электрон называется оже-электроном, и этот процесс электронного перехода с непрямым излучением известен как оже-эффект . [6]

Каждый атом, кроме водорода, имеет электроны остовного уровня с четко определенной энергией связи. Таким образом, можно выбрать элемент для зондирования, настроив энергию рентгеновского излучения на соответствующий край поглощения. Спектры испускаемого излучения могут использоваться для определения элементного состава материала.

Effective Nuclear Charge.svg

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Рассолов, Виталий А; Попл, Джон А; Редферн, Пол С; Кертисс, Ларри А. (2001-12-28). «Определение остовных электронов». Письма по химической физике . 350 (5–6): 573–576. Bibcode : 2001CPL ... 350..573R . DOI : 10.1016 / S0009-2614 (01) 01345-8 .
  2. ^ Miessler, Тарр, GL (1999). Неорганическая химия . Прентис-Холл.
  3. ^ Харальд Ибах, Ханс Лют. Физика твердого тела: Введение в основы материаловедения. Springer Science & Business Media, 2009. P.135.
  4. ^ "Quantum Primer" . www.chem1.com . Проверено 11 декабря 2015 .
  5. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) " эффект шнека ". DOI : 10,1351 / goldbook.A00520
  6. ^ «Эффект Оже и другие безызлучательные переходы» . Издательство Кембриджского университета . Проверено 11 декабря 2015 .