1.4. Символика энергетических уровней атомов и ионов

В соответствии с законами квантовой механики атом характеризуется определенным набором уровней энергии. При изменении энергии атома происходит излучение или поглощение фотона

Изменение энергии атома связано с изменением состояния электрона в атоме. Для полного определения стационарного состояния электрона необходимо столько квантовых чисел, сколько степеней свободы имеет электрон, т. е. с учетом спина необходимо 4 квантовых числа:

главное при каждом имеется азимутальное. (характеризующее пространственные свойства электронного облака); при каждом магнитное , (определяющее преимущественную плоскость локализации электронного облака) и, наконец, спин , который характеризует спиновый момент количества движения.

Состояния электронов со значениями примято обозначать с помощью малых латинских букв и так далее по алфавиту. Они произошли от английских названий спектральных серий в спектрах щелочных металлов: sharp, principal, diffuse, fundamental. Перед буквой пишут значение главного квантового числа Например, состояние электрона, характеризуемое квантовыми числами обозначается

Из принципа Паули, согласно которому в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми всеми четырьмя квантовыми числами, следует определенный закон распределения электронов по квантовым состояниям.

Совокупность электронных состояний с заданным значением и любыми возможными образует конкретный электронный слой. Слои обозначаются буквами и так далее по алфавиту, что соответствует В одном слое может находиться электронов, т. е. при имеется возможных состояний.

Для атомов с одним валентным электроном состояние электрона однозначно определяет и состояние самого атома. Поэтому состояние такого атома может быть обозначено тем же символом, который обозначает состояние электрона. В общем же случае для обозначения состояния атома применяют большие латинские буквы

В многоэлектронных атомах и ионах электронная конфигурация определяется суммарными квантовыми числами, которые зависят от типа взаимодействия между электронами. Для атомов с небольшим числом валентных электронов справедлива схема сложения моментов по Расселу-Саундерсу.

Орбитальные и спиновые моменты могут быть сложены в результирующие:

Моменты и складываются в полный момент атома

Численные значения результирующих моментов определяются через квантовые числа следующим образом:

Квантовое число принимает значения, отличающиеся друг от друга на единицуи находящиеся в пределах между максимальным и минимальным значением алгебраической суммы Например, в случае трех электронов, характеризуемых квантовыми числами максимальное значение суммы а минимальное Следовательно, число может принимать значение 4, 3, 2, 1, 0. Аналогичным образом, квантовое число может принимать значения, - отличающиеся на единицу в пределах между максимальным и минимальным значением суммы

Внутреннее квантовое число У, определяющее результирующий полный момент принимает злачения

Отсюда видно, что при число может принимать различных значений, каждому из которых соответствуют различные энергии их взаимодействия, вследствие чего каждый уровень для данных и дает мультиплетиое расщепление на подуровней. При имеет место мультиплетиое расщепление на подуровней.

Как указывалось выше, состояние атома или иона обозначают большими латинскими буквами которые соответствуют состояниям, характеризуемым квантовыми числами

Здесь рассмотрен тип межэлектронного взаимодействия, - называемый L-S-связью.

Состояние атома (или нона), в котором между электронами преобладает L-S-связь, обозначают через и называют термом Рассела-Саундерса. Вверху слева от символа пишут значение мультиплетности а справа снизу — значение числа 1. Например, у лития -оболочка заполнена, на -оболочке имеется один электрон. При этом Терм лития Ф

В более сложном случае (в атоме углерода) идет заполнение -оболочки; электронной конфигурации отвечают три возможных

терма:

Тогда для определения основного состояния атома используют правила Гунда.

Согласно первому правилу Гунда терм основного состояния всегда имеет максимальную мультиплетность. Отсюда следует, что основное состояние атома углерода характеризуется термом

Согласно второму правилу Гунда из двух состояний с одинаковой мультиплетностью более устойчивым является состояние с большим значением Следовательно, из деух возбужденных состояний атома углерода и 5 более устойчиво состояние

Между различными состояниями атома (или иона) при данной электронной конфигурации могут иметь место переходы, удовлетворяющие правилам отбора:

(кроме случаев

Рассмотренная L-S-связь является наиболее распространенным типом взаимодействия моментов в атоме. Однако она не пригодна для атомов с большим числом валентных электронов, в которых существенную роль играют другие типы взаимодействий. Например, моменты каждого электрона складываются не в моменты а в результирующий момент Моменты электронов образуют полный момент атома Тип взаимодействия, отвечающий такой схеме сложения моментов, называется -связью. Он характерен для возбужденных состояний атомов с большим числом электронов.

Кроме L-S- и -связен электронов в атоме существуют промежуточные связи, соответствующие промежуточным схемам сложения моментов.

Молекулярные системы, как и атомные, тоже характеризуются энергетическими электронными уровнями по помимо электронных уровней полную энергию молекулы характеризуют энергия колебательного движения атомов в молекуле и энергия вращения молекулы в целом так что

При переходе молекулы из состояния 1 в состояние 2 может быть излучен фотон

Спектр излучения молекулярных газов складывается из большого числа тонких линий. Это означает, что энергии также имеют дискретные значения, т. е. квантованными являются не только электронные переходы, но и переходы, в которых участвуют колебательные и вращательные уровни. При этом излучение может происходить и без изменения электронного состояния, если совершаются переходы между колебательными и вращательными уровнями. Обычно спектр излучения колебательных переходов соответствует ближней инфракрасной области ; вращательные переходы дают излучение в дальней инфракрасной области

Выражение полной энергии молекулы Емол в виде суммы грех энергий (1.32) является приближенным, так как, во-первых, сами эт.и энергии не являются независимыми, т. е. существует некоторое взаимное влияние между «ими, во-вторых, они не охватывают все возможные энергетические состояния молекулы.

В случае жидких и твердых тел в результате взаимодействия электронных систем образуется такое количество уровней, что спектр становится полосатым или даже непрерывным.