BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương 10: VẬT LÝ NGUYÊN TỬhoctap24h.vn/wp-content/uploads/2014/10/VL2-chuong-10.pdf · Chương 10. VẬT LÝ NGUYÊN TỬ 10.1. NGUYÊN

BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

Chương 10: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ

NỘI DUNG

Chương 10. VẬT LÝ NGUYÊN TỬ

10.1. NGUYÊN TỬ HYDRO

10.2. NGUYÊN TỬ KIM LOẠI KIỀM

10.3. MÔ MEN ĐỘNG LƯỢNG VÀ MÔ MEN TỪ CỦA ELECTRON

CHUYỂN ĐỘNG XUNG QUANH HẠT NHÂN

10.4. SPIN CỦA ELECTRON

10.5. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MEDELEEV

10.1. Nguyên tử Hydro

Sự gián đoạn của điện tích Điện tích nguyên tố

Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford

Tính qui luật trong phân bố phổ vạch phát xạ:

Mẫu nguyên tử Bohr: Lượng tử hóa (gián đoạn) các mức

năng lượng của electron trong nguyên tử Hydro

Các nghiên cứu về nguyên tử trước khi có cơ học lượng tử:

2 2

1 2

1 R R

n n



2 2

1 2

1 R R

n n


Mẫu Bohr mang tính chất bán lượng tử

Mẫu Bohr không tính đến xác suất của quá trình dịch

chuyển Cường độ các vạch khác nhau

Mẫu Bohr không giải thích được lưỡng tính sóng - hạt của

electron

Mẫu Bohr không đưa ra chứng minh chặt chẽ về chuyển

động của electron trong trạng thái dừng



Sử dụng phương trình Schrodinger để xét chuyển động của

electron trong nguyên tử Hydro:

Điện tử chuyển động trong trường thế của hạt nhân:

Phương trình Schrodinger:

Mẫu cơ học lượng tử về nguyên tử Hydro:

2

0

eU

4 r

2

2

0

2m eE 0

4 r


Tính chất của nguyên tử Hydro phụ thuộc vào 3 số lượng

tử (hàm sóng phụ thuộc vào 3 số lượng tử - 3 bậc tự do:

Số lượng tử chính: n = 1, 2, 3,…

Số lượng tử quĩ đạo: l = 0, 1, 2,… , (n-1)

Số lượng tử từ quĩ đạo: ml = -l, …-1, 0, 1,…, l

Mẫu cơ học lượng tử về nguyên tử Hydro:


Năng lượng của Hydro nhận các giá trị gián đoạn phụ

thuộc vào số lượng tử chính:

Ứng với mỗi số lượng tử chính là một lớp:

n = 1 là lớp K

n = 2 là lớp L

n = 3 là lớp M…

Một số kết luận về nguyên tử Hydro:

4

n 2 2 22

0

me 1 13,6eVE .

n n2 4




Mức năng lượng suy biến bậc n2:

Ứng với mỗi giá trị của n, số lượng tử l nhận n giá trị

khác nhau;

Ứng với mỗi giá trị của l, số lượng tử ml nhận (2l+1) giá

trị khác nhau;

Ứng với mỗi giá trị của số lượng tử chính n, có tổng cộng

n2 trạng thái lượng tử.

Ký hiệu: l = 0 là trạng thái s; l = 1 là trạng thái p;

l = 2 là trạng thái d; l = 3 là trạng thái f





Bất kỳ khoảng cách nào

cũng có khả năng bắt gặp

electron, nhưng mỗi trạng

thái đều có một khoảng cách

ứng với xác suất lớn nhất:

Electron không chuyển động

theo quĩ đạo xác định

Đám mây electron



Dạng của orbital s



Dạng của orbital p



Dạng của orbital d



Quang phổ vạch của Hydro:


Bước sóng của

vạch phát xạ:

(R = 1,09.107 m-1)

2 2

1 2

1 R R

n n

10.2. Nguyên tử kim loại kiềm

Vỏ ngoài cùng của kim loại kiềm chỉ có 1 electron hóa trị:

Năng lượng của electron hóa trị phải tính thêm ảnh hưởng

của tương tác giữa các electron:

Năng lượng của electron hóa trị trong nguyên tử kim loại kiềm:

4

n 2 22l0

me 1E .

(n x )2 4


Số hiệu chỉnh phụ thuộc vào số lượng tử quĩ đạo:

Ký hiệu các mức năng lượng:

1S 2S, 2P

3S, 3P, 3D 4S, 4P, 4D, 4F

Năng lượng của electron hóa trị trong nguyên tử kim loại kiềm:


Qui tắc dịch chuyển:

Chuyển từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp

Δl = ± l

Dãy chính: ν = n0S - nP

Dãy phụ II: ν = n0P - nS

Dãy phụ I: ν = n0P - nD

Dãy cơ bản: ν = 3D – nF

Với n0 = 2 với Li, n0 = 3 với Na…

Quang phổ của nguyên tử kim loại kiềm:


Quang phổ của nguyên tử kim loại kiềm:

l = 1

l = 0

l = 1

l = 0

l = 2

l = 0 l = 1 l = 2 l = 3

n = 2

n = 3

n = 4

Dãy chính

Dãy phụ II Dãy phụ I

Dãy cơ bản

2S

2P

3S

3P

3D

4S 4P 4D 4F

Mức 0

10.3. Mô men động lượng và mô men từ quĩ đạo

Mô men động lượng của electron do chuyển động xung

quanh hạt nhân không có hướng xác định nhưng có giá trị

xác định:

l = 0, 1, …, (n-1) là số lượng tử quĩ đạo

Hình chiếu của mô men động lượng lên một phương bất kỳ

luôn nhận các giá trị gián đoạn (bị lượng tử hóa):

ml = ±l; ± (l-1), …, 1, 0 là số lượng tử từ quĩ đạo

Mô men động lượng quĩ đạo (orbital):

L l(l 1)

z lL m .


Mối liên hệ mô men động lượng và

mô men từ quĩ đạo của electron:

Hình chiếu của mô men từ lên một

phương bất kỳ:

Magneton Bohr:

Mô men từ quĩ đạo:

e

eL

2m

z z l l B

e e

e eL m m .

2m 2m

24 2

B

e

e9,27.10 (A.m )

2m


Hiệu ứng Zeeman là hiện tượng tách vạch phổ thành nhiều

vạch sít nhau khi nguyên tử phát sáng đặt trong từ trường

Xét một trường hợp đơn giản: Nguyên tử H (hoặc các

nguyên tử mà hiệu ứng spin bị triệt tiêu) phát sáng trong

từ trường đều:

Mỗi vạch phổ bị tách thành 3 vạch

Nguyên nhân của hiệu ứng: năng lượng phụ (có thêm) khi

nguyên tử đặt trong từ trường:

Hiệu ứng Zeeman (thường):

z l BE .B .B m . .B


Các mức năng lượng mới của nguyên tử

Tần số vạch quang phổ khi nguyên tử chuyển từ trạng thái

2 về trạng thái 1:


' '

2 1 2 1 2 1 BE E E E (m m ). .B'

h h h

l BE' E m . .B

Bl

.B' m

h


Qui tắc dịch chuyển:


lm 0, 1

10.4. Spin của electron

Ba số lượng tử n, l, ml mô tả chuyển động của electron

xung quanh hạt nhân

Electron có mô men động lượng riêng Có thêm bậc tự

do nội tại, gọi là spin

Về thực nghiệm, spin bắt đầu được giả thiết để giải thích

cấu trúc tinh tế của các vạch phổ (ví dụ vạch màu vàng

kép của Na)

Về lý thuyết, spin xuất hiện khi giải phương trình sóng

tương đối tính (phương trình Dirac) cho electron.

Khái niệm về spin:


Các đặc trưng của spin:

Số lượng tử spin:

Mô men động lượng spin chỉ có một giá trị duy nhất:

Hình chiếu của mô men động lượng spin lên một phương

bất kỳ (phương z):

là số lượng tử từ spin

3S s(s 1)

4

z sS m .

1s

2

s

1m

2


Các đặc trưng của spin:

Electron có mô men từ spin

Hình chiếu của mô men từ spin lên phương phương z:

Tỉ số từ - cơ spin:

sz B

e

e

2m

s

s

e

eS

m


Mô men toàn phần của electron:

Electron có mô men động lượng toàn phần bằng tổng của

mô men động lượng orbital và mô men động lượng spin:

Giá trị của mô men toàn phần:

Với số lượng tử toàn phần:

J L S

1j l

2

J j( j 1)


Trạng thái và năng lượng của electron trong nguyên tử:

Trạng thái lượng tử của một electron trong nguyên tử được

xác định bởi 4 số lượng tử: n, l, ml, ms

Tương tác spin – quĩ đạo dẫn đến electron có thêm năng

lượng phụ (phụ thuộc vào định hướng spin)

Năng lượng toàn phần của electron trong nguyên tử phụ

thuộc vào ba số lượng tử n, l, j

Có sự tách mức năng lượng rất nhỏ (cấu trúc tinh tế các

mức năng lượng) do j nhận 2 giá trị khác nhau

Ký hiệu mức năng lượng: n2Xj


Cấu tạo bội của vạch quang phổ:

Do cấu trúc tinh tế của các mức năng lượng nên dẫn đến

cấu tạo bội các vạch phổ phát xạ

Qui tắc lựa chọn khi chuyển mức năng lượng

Mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp

Số lượng tử quĩ đạo:

Số lượng tử toàn phần:

l 1

j 0, 1



Ví dụ: Xét vạch vàng đặc trưng của Na

Nếu không xét tương tác spin – quĩ đạo thì chỉ có một vạch

phổ ứng với chuyển mức 3S – 3P

Khi có tương tác spin - quĩ đạo:

Mức 3S (j = 1/2) không tách mức 32S1/2

Mức 3P (j = 1±1/2) tách thành 2 mức 32P1/2 và 32P3/2

Chuyển mức cho phép: 32S1/2 - 32P1/2 và 32S1/2 - 3

2P3/2



3D

2P

32D3/2

32D5/2

22P1/2

22P3/2

l 1 j 0, 1

10.5. Bảng hệ thống tuần hoàn Medeleev

Khái niệm bảng hệ thống tuần hoàn Medeleev:

Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học cho phép

rút ra các tính chất vật lý và hóa học cơ bản.

Cho phép tiên đoán các nguyên tố chưa tìm thấy nhờ qui

luật tuần hoàn.

Xuất hiện trước cơ học lượng tử (1869)



Nguyên tắc sắp xếp các electron trong nguyên tử:

Nguyên lý cực tiểu năng lượng: Các electron trong nguyên

tử được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của các mức năng

lượng.

Nguyên lý loại trừ Pauli: Ở mỗi trạng thái lượng tử xác

định (được đặc trưng bởi bốn số lượng tử n, l, ml, ms) có

không quá một electron.



Nguyên lý cực tiểu năng lượng:

1s

2s, 2p

3s, 3p

4s, 3d, 4p

5s, 4d,5p

6s, 4f, 5d, 6p…



Nguyên lý loại trừ Pauli:

Trạng thái s (l = 0): ml = 0; ms = ±½

Chứa tối đa 2 e

Trạng thái p (l = 1): ml = 0, ±1; ms = ±½


Trạng thái d (l = 2): ml = 0, ±1, ±2; ms = ±½


Trạng thái f (l = 3): ml = 0, ±1, ±2, ±3; ms = ±½

Chứa tối đa 14e



Nguyên lý loại trừ Pauli:

Lớp K (n = 1): 1s

Có tối đa 2 e

Lớp L (n = 2): 2s, 2p

Có tối đa 8 e

Lớp M (n = 3): 3s, 3p, 3d

Có tối đa 18 e

Lớp N (n = 4): 4s, 4p, 4d, 4f

Có tối đa 32 e



Cấu hình electron:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d,5p, 6s, 4f, 5d, 6p…

Một số bài tập cần làm

Chương 6, sách bài tập VLĐC tập 3:

2, 3, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 19, 20

Documents

BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương 10: VẬT LÝ NGUYÊN TỬhoctap24h.vn/wp-content/uploads/2014/10/VL2-chuong-10.pdf · Chương 10. VẬT LÝ NGUYÊN TỬ 10.1. NGUYÊN