Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 7: Vật lý nguyên tử - Phạm Thị Hải Miền

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 7: Vật lý nguyên tử - Phạm Thị Hải Miền

1. CHƢƠNG 7 VẬT LÝ NGUYÊN TỬ 1. NGUYÊN TỬ HYDRO 1.1. Phƣơng trình Schrödinger nguyên tử Hydro 1.2. Phổ nguyên tử Hydro 2. NGUYÊN TỬ KIM LOẠI KIỀM 2.1. Năng lƣợng electron trong nguyên tử KLK 2.2. Phổ nguyên tử KLK 3. CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ 3.1. Chuyển động của electron quanh hạt nhân 3.2. Chuyển động nội tại của electron 3.3. Momen toàn phần. Cấu trúc tế vi. 3.4. Trạng thái và năng lƣợng electron trong nguyên tử
2. 1 E 13,6 ( eV ) n n2  Năng lượng của electron trong nguyên tử hydro phụ thuộc vào số (lớp M) nguyên n năng lượng bị lượng tử hóa. (lớp L)  Mức năng lượng thấp nhất E1 (n=1) được gọi là mức năng lượng cơ bản. Các mức năng lượng lần lượt tăng theo thứ tự E2 < E3 < E4  Càng lên cao, các mức càng xích lại và khi n = , năng lượng biến thiên liên tục. (lớp K)
3. • Tần số của photon (vạch quang phổ) được bức xạ ra là: 4  mee 1 1 1 1  2 3 2 2 R 2 2 h80 h n n ' n n ' 4 mee 15 1 Rs 23 3,29.10 - hằng số Rydberg 80 h • Khi n = 1, n’ = 2, 3, 4 : dãy Lyman nằm trong vùng tử ngoại. • Khi n = 2, n’ = 3, 4, 5 : dãy Balmer nằm trong vùng khả kiến. • Khi n = 3, n’ = 4, 5, 6 : dãy Paschen nằm trong vùng hồng ngoại. • Bán kính quĩ đạo dừng thứ n của electron trong nguyên tử Hydro: 2 rn n r0 -11 r0 =0,53. 10 m - bán kính Bohr.
4. 2. NGUYÊN TỬ KIM LOẠI KIỀM 2.1. NĂNG LƢỢNG ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ KLK • Nguyên tử KLK có Z electron quay quanh hạt nhân. Trong đó (Z-1) electron bên trong và hạt nhân tạo thành một lõi điện tích +e, còn một electron ngoài cùng gọi là electron hóa trị Tính chất hóa học của KLK tương tự Hydro. • Năng lượng của electron hóa trị của kim loại kiềm phụ thuộc vào cả số lượng tử n và số lượng tử quĩ đạo l. 1 Enl 13,6 2 eV n l Với: l - số hiệu chính, phụ thuộc vào số lượng tử quĩ đạo l.
5. 3. CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ Chuyển động của e Quanh hạt Chuyển động nhân nội tại Momen Momen Momen Momen quĩ đạo từ quĩ đạo cơ riêng từ spin L  (spin) S s Momen Tƣơng tác toàn phần spin – quĩ J đạo
6. l = 1 m = 0, 1 l = 2 m = 0, 1, 2 , L 2  L 6  Lz 0,  Lz 0,  , 2
7. b. Momen từ quĩ đạo (momen từ). • Electron quay quanh hạt nhân tạo thành một dòng điện i (có chiều ngược với chiều chuyển động của electron) dòng điện i có momen từ  ngược chiều với momen quĩ đạo L . e  L 2me • Hình chiếu của momen từ lên một phương z bất kỳ: ee zz L m m B 22mmee 22 2 Với:  Be e  2 m 10 ( Am ) - magneton Bohr. Momen từ và hình chiếu của nó bị lượng tử hóa. • Qui tắc chọn lọc 2: Electron trong nguyên tử chỉ có thể dịch chuyển giữa các mức năng lượng có Δm=0, ±1.
8. 3.2. CHUYỂN ĐỘNG NỘI TẠI CỦA ELECTRON a. Momen cơ riêng (spin). • Ngoài chuyển động quanh hạt nhân, electron còn tham gia một chuyển động tự quay quanh trục riêng, đặc trưng bởi momen cơ riêng, gọi là spin S và lấy những giá trị gián đoạn: S s s 1  • Hình chiếu của momen spin lên phương z bất kì:  S m  z s 2 Với: s = 1/2 - số lượng tử spin. ms = 1/2 - số lượng tử hình chiếu spin tương ứng với 2 chiều quay ngược nhau của electron quanh trục riêng.
9. 3.3. MOMEN TOÀN PHẦN • Momen toàn phần J của electron: J L S • Giá trị của momen toàn phần: J j j 1  1 Với: j l - số lượng tử toàn phần. 2 • Qui tắc chọn lọc 3: Electron trong nguyên tử chỉ có thể dịch chuyển giữa các mức năng lượng có Δj=0, ±1.
10. 3.4. TRẠNG THÁI VÀ NĂNG LƢỢNG ELECTRON • Trạng thái lượng tử của electron đặc trưng bởi 4 số lượng tử (n, l, m, ms). • Nguyên lý Pauli: trong mỗi trạng thái lượng tử xác định bởi bốn số lượng tử (n, l, m, ms) chỉ có tối đa một electron. • Nguyên lý cực tiểu năng lƣợng: mọi hệ vật lý đều có xu hướng chiếm trạng thái có năng lượng cực tiểu gọi là trạng thái bền Các electron sẽ xếp đầy lớp K trước, sau đó mới đến lớp L, M • Với n đã cho có thể có tối đa 2n2 trạng thái lượng tử khác nhau, như vậy, có tối đa 2n2 electron ứng với mức n. • Trạng thái lượng tử của electron được biểu diễn bởi hàm sóng phụ thuộc vào 3 số lượng tử n, l, m: n,l,m . • Năng lượng electron trong nguyên tử phụ thuộc vào 3 số lượng tử n, l , j: En,l,j 2 • Trạng thái electron được ký hiệu nXj (X phụ thuộc l).
11. BÀI TẬP VÍ DỤ 3 Khi electron hóa trị trong nguyên tử chuyển từ mức 4D về 3P thì máy quang phổ có độ phân giải cao có thể phát hiện những vạch nào? Hƣớng dẫn giải • Trạng thái 4D ứng với l=2 j = 3/2, 5/2 • Trạng thái 3P ứng với l’=1 j’ = 1/2, 3/2 • Các bước chuyển phải theo qui tắc chọn lọc: Δl = ±1; Δj = 0, ±1 Có những bước chuyển sau: 22 1. j=3/2 j’=1/2 ~ 4D3/2 3 P 1/2 ( j 1) 22 2. j=3/2 j’=3/2 ~ 4D3/2 3 P 3/2 ( j 0) 22 3. j=5/2 j’=3/2 ~ 4D5/2 3 P 3/2 ( j 1)