ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Электронная конфигурация свободных атомов из "Основы материаловедения и технологии полупроводников " Химическая связь в твердых телах образуется в результате взаимодействия атомов (ионов). Наиболее существенным результатом этого взаимодействия является расщепление энергетических уровней валентных электронов свободных атомов и образование энергетических зон. С другой стороны, взаимодействие электронов данного атома и соседних атомов не разрушает полностью исходную структуру электронных уровней отдельных атомов. Эти два факта дают основание считать, что электронное строение свободных атомов и, прежде всего, строение их валентных оболочек определяет химическую связь, характер ближнего порядка и, в конечном счете, электронные свойства твердых тел. Периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева отражает закономерности электронного строения свободных атомов. [c.16] Структура энергетического спектра свободных атомов рассчитывается с помощью методов квантовой механики. Простейшим атомом является атом водорода, обладающий единственным электроном. Уравнение Шредингера для него имеет точное решение и позволяет провести классификацию состояний электрона в атоме. Отметим, что изучение атома водорода дает основу для классификации состояний любого атома, так как электронная структура атома водорода имеет ряд существенных черт, характерных для электронной структурой более сложных атомов. [c.16] Для сферически симметричного потенциала и(г) уравнение (2.1) проще всего рещать в сферической системе координат. В этом случае уравнение Шредингера для атома водорода допускает разделение переменных. Собственные волновые функции уравнения (2.1) ищутся в виде ф = 7 (г)0( 9)Ф(( ), где г, , — сферические координаты. Рещение этих уравнений совместно с соответствующими граничными условиями приводит к появлению трех целочисленных квантовых чисел п, /, т/, которые служат параметрами для собственных волновых функций уравнения (2.1), описывающих состояния электрона в атоме. Учет спина электрона приводит к появлению четвертого квантового числа т . Полная волновая функция электрона равна произведению координатной и спиновой волновых функций. Пространственная (координатная) часть волновой функции электрона в атоме называется атомной орбиталью. [c.17] Таким образом, собственные волновые функции уравнения (2.1) зависят от четырех параметров (четырех квантовых чисел) я, /, т/, т . [c.17] Волновые функции электрона, имеющие одинаковые я, / и т/, образуют орбиталь. Совокупность орбиталей, имеющих одинаковые п и /, образует оболочку. Совокупность оболочек с одинаковым п образует электронный слой. [c.17] Главное квантовое число п может принимать значения 1, 2, 3,. .. и определяет номер слоя. Слои с я = 1, 2, 3, 4,. .. принято обозначать буквами К, Ь, М, N я т.д. Величина п характеризует удаленность электрона от атомного ядра. [c.17] Орбитальное квантовое число / определяет величину момента количества движения электрона относительно ядра (или симметрию электронного облака) / может иметь значения от О до (я — 1). Оболочки с / = О, 1, 2, 3 называются 5-, р-, с1-, /-орбиталями соответственно. [c.17] Орбитальное магнитное квантовое число т/ характеризует проекцию момента количества движения электрона на некоторое выделенное направление в пространстве т/ может принимать значения от —/ до / (включая ноль). [c.17] Спиновое магнитное квантовое число характеризует собственный механический момент электрона (ориентацию в пространстве вектора спина электрона) может принимать только два значения +1/2 и -1/2. [c.18] Радиальная часть Я(г) волновой функции определяет распределение электронной плотности по радиусу от ядра. На рис. 2.1,а показаны радиальные части первых трех -орбиталей. Отметим, что 15-функция никогда не меняет знака, 25-функция меняет его один раз, а З -функция — дважды. На рис. 2.1,6 показано изменение электронной плотности с расстоянием от ядра для этих орбиталей. Электронная плотность концентрируется на все большем расстоянии от ядра по мере того, как значение п растет. Обычно радиальная функция плотности имеет самое большое значение за последней поверхностью, на которой Я(г) = 0. Для р-, й- я /-орбиталей картины похожи. [c.18] Рассмотрим угловые части 0( 9)Ф(( ) волновых функций. Они определяют угловое распределение электронной плотности — вероятность найти электрон в определенном направлении, рассчитанную на единицу телесного угла. [c.19] Для я = 3 и 4 появляются еще (/ = 2) и /-орбитали (/ = 3) соответственно. При этом каждый электронный слой должен иметь пять -орбиталей (рис. 2.2) и семь /-орбиталей. Все орбитали с одним и тем же я имеют сходное радиальное распределение электронной плотности и существенно различные угловые распределения. [c.19] Такова классификация состояний электрона в атоме водорода. [c.19] Перейдем к рассмотрению свободных многоэлектронных атомов. Структура энергетического спектра сложных атомов обладает значительным сходством со структурой спектра атома водорода. Физическая причина этого сходства заключается в том, что и в более сложных атомах каждый электрон находится под действием приблизительно центральных сил с центром, расположенным на ядре. Как и в случае атома водорода, потенциальная энергия отдельного электрона является и в рассматриваемом случае функцией только расстояния от ядра. Уравнение Шредингера для многоэлектронного атома, как и для атома водорода, решается в сферических координатах методом разделения переменных, и при его решении находятся аналогичные наборы значений квантовых чисел п, /, т/, а выражения для угловых частей собственных волновых функций этого уравнения оказываются точно такими же, как и в случае атома водорода. Однако энергия отдельного электрона теперь оказывается зависящей не только от п, но и от что приводит к расщеплению атомных уровней энергии. [c.20] Таким образом, экранирование заряда ядра в многоэлектронном атоме приводит к расщеплению уровней энергии, то есть к снятию вырождения по /. Следует отметить, что экранирование не единственная причина, приводящая к расщеплению энергетических уровней этот же эффект вызывают малые магнитные силы, действующие внутри атомов, а также и другие специфические квантовомеханические взаимодействия. [c.22] Вернуться к основной статье