Багатоелектронні атоми. Квантові числа, що описують електрон в атомі. Принцип Паулі. Будова атомної оболонки. Періодична система елементів

Одноелектронний атом водню є найпростішим за структурою з тих, що існують в природі. Решта атомів, починаючи від гелію з його двома електронами є багатоелектронними утвореннями. В багатоелектронному нейтральному атомі є електрони. Вони складають взаємодіючу поміж собою та із зарядженим ядром стаціонарну систему квантових частинок. Принцип Паулі (принцип заборони) - один з фундаментальних принципів квантової механіки, згідно з яким два і більше тотожних фермиона (часток з напівцілим спіном) не можуть одночасно перебувати в одному квантовому стані. Принцип був сформульований для електронів Вольфгангом Паулі в 1925 р. в процесі роботи над квантомеханические інтерпретацією аномального ефекту Зеемана і надалі поширений на всі частинки з напівцілим спіном. Принцип Паулі можна сформулювати наступним чином: у межах однієї квантової системи в даному квантовому стані може знаходитися тільки одна частинка, стан іншого має відрізнятися хоча б одним квантовим числом. Сучасні уявлення про будову атома базуються на квантовій механіці. За моделлю Бора: 1. Атоми складаються із елементарних частинок (протонів, електронів, та нейтронів). 2. У центрі атома знаходиться крихітне, позитивно заряджене ядро, що складається з протонів та нейтронів. 3. Ядро оточене електронною хмарою, яка займає більшу частину його об'єму. 4. Коли електрони приєднуються до атома, вони займають орбіталь із найнижчою енергією. Атоми можуть віддавати та приєднувати електрони, стаючи позитивно або негативно зарядженими іонами. Періоди́чна систе́ма елеме́нтів — класифікація хімічних елементів, розроблена на основі періодичного закону. Сучасне формулювання періодичного закону звучить так: властивості елементів перебувають у періодичній залежності від заряду їхніх атомних ядер. Заряд ядра Z дорівнює атомному (порядковому) номеру елемента в системі. Елементи, розташовані за зростанням Z (H, He, Li…) утворюють 7 періодів. Період — сукупність елементів, що починається лужним металом та закінчується благородним газом (особливий випадок — перший період, що складається з двох газоподібних елементів — Н та Не). У 2-у і 3-у періодах — по 8 елементів, у 4-у і 5-у — по 18, у 6-му 32 елементи. Вертикальні стовпці — групи елементів з подібними хімічними властивостями. Елементи Z = 58-71 та Z = 90-103, особливо схожі за властивостями, утворюють два сімейства — лантаноїдів та актиноїдів.

76. Спонтанне і індуктивне випромінювання. Квантові генератори (лазери) і їх застосування

Спонтанне випромінювання - випромінювання кванта світла квантовомеханічною системою в збудженому стані. Спонтанне випромінювання є результатом взаємодії квантовомеханічної системи із нульовими коливаннями електромагнітного поля. Індуковане випромінювання — випромінювання електромагн. хвиль атомами і молекулами речовини від діяння зовн. електромагн. поля. Квáнтовий генерáтор - загальна назва джерел електромагнітного випромінювання, що працюють на основі вимушеного випромінювання атомів і молекул. Ла́зер — пристрій для генерування або підсилення монохроматичного світла, створення вузького пучка світла, здатного поширюватися на великі відстані без розсіювання і створювати винятково велику густину потужності випромінювання при фокусуванні (108 Вт/см² для високоенергетичних лазерів). Лазер працює за принципом, аналогічним принципові роботи мазера.

В основу лазерів покладено явище індукованого випромінювання, існування якого було передбачене Ейнштейном в 1917 році. ЗаЕйнштейну, поряд з процесами звичайного випромінювання і резонансного поглинання існує третій процес - вимушене (індуковане)випромінювання. Світло резонансної частоти, тобто тієї частоти, яку атоми здатні поглинати, переходячи на вищі енергетичні рівні, повинен викликати світіння атомів, які вже перебувають на цих рівнях, якщо такі є в середовищі. Характерна особливість цього випромінювання полягає в тому, що випускається світло не відрізняється від змушує світла, тобто збігається з останнім по частоті, по фазі, поляризації та напрямку розповсюдження. Це означає, що вимушене випромінювання додає в світловий пучок точно такі ж кванти світла, які веде з нього резонансне поглинання. Атоми середовища можуть поглинати світло, перебуваючи на нижньому енергетичному рівні, випромінюють ж вони на верхніх рівнях. Звідси випливає, що при великій кількості атомів на нижніх рівнях (принаймні, більшій, ніж кількість атомів на верхніх рівнях),світло, проходячи через середовище, буде послаблюватися. Навпаки, якщо число атомів на верхніх рівнях більше числа збудженому, то світло, пройшовши через дане середовище, посилиться. Це означає, що в даному середовищі переважає індуковане випромінювання.Простір між дзеркалами заповнено активним середовищем, тобто середовищем, що містить більшу кількість збуджених атомів (атомів, що знаходяться на верхніх енергетичних рівнях), ніж збудженому. Середа посилює проходить через неї світ за рахунок індукованого випромінювання, початок якому дає спонтанне випромінювання одного з атомів.

Лазерне випромінювання - є свічення об'єктів при нормальних температурах. Але в звичайних умовах більшість атомів знаходяться на нижчому енергетичному стані. Тому при низьких температурах речовини не світяться. При проходженні електромагнітної хвилі крізь речовину її енергія поглинається. За рахунок поглиненої енергії хвилі частина атомів порушується, тобто переходить у вищий енергетичнийстан. При цьому від світлового пучка віднімається деяка енергія:

hν = E2-E1,

де h ν - величина, що відповідає кількості витраченої енергії,

E2 - енергія вищого енергетичного рівня,

E1 - енергія нижчого енергетичного рівня.

Збуджений атом може віддати свою енергію сусіднім атомам при зіткненні або випустити фотон в будь-якому напрямку. Тепер уявімо, що яким-небудь способом ми порушили більшу частину атомів середовища. Тоді при проходженні через речовину електромагнітної хвилі вона буде не послаблюватися, а навпаки, посилюватись за рахунок індукованого випромінювання. Під її впливом атоми узгоджено переходять у нижчі енергетичні стани, випромінюючи хвилі, що збігаються за частотою і фазою з падаючою хвилею

Лазери використовуються для зв'язку (лазерний промінь може переносити набагато більше інформації, ніж радіохвилі), різання, пропалювання отворів, зварювання, спостереження за супутниками, медичних і біологічних досліджень і в хірургії.

 

77. Утворення енергетичних зон у кристалах. Поняття про зонну теорію провідності провідників, напівпровідників і діелектриків

Картина енергетичної структури твердого тіла порівняно з ізольованим атомом є суттєво іншою. При зближенні ізольованих атомів і утворення з них кристалу, що складається з N атомів, кожний окремий атом взаємодіє з своїми сусідам, що приводить до появи в кристалі N близько розміщених один від одного підрівнів, які утворюють енергетичну зону. Кожному енергетичному рівню ізольованого атома в кристалі відповідає зона дозволених рівнів: –зона , рівню – зона і т.д. Зо́нна теорія кристалів — розділ фізики конденсованих середовищ, зокрема фізики твердого тіла, в якому фізичні властивості твердих тіл пояснюються на основі одноелектронного наближення. Згідно з квантовою теорією твердого тіла, у напівпровідниках і діелектриках усі дозволені енергетичні рівні, на яких можуть знаходитися електрони, зайняті. Ці рівні в сукупності складають валентну зону. У напівпровідниках і діелектриках між валентною зоною і зоною провідності існує проміжна – заборонена зона. Особливість цієї зони – повна відсутність дозволених рівнів. Ширина забороненої зони дорівнює величині енергії, яку необхідно надати електрону, щоб перевести його зі зв’язаного стану у валентній зоні в зону провідності. Ширина забороненої зони в напівпровідниках складає до 3 еВ, а в діелектриках, як правило, перевищує 3 еВ. У діелектриках і напівпровідниках валентна зона заповнена повністю, а зона провідності вільна від електронів, при цьому ширина забороненої зони в діелектриках більша, ніж у напівпровідниках. Валентна зона металів або не зовсім заповнена, або заповнена, але перекрива-ється зоною провідності.