ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ενότητα 7 Ατομική Δομή Δημήτρης Κονταρίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Σχετικά έγγραφα
ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ασκήσεις

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ενότητα 8 Ατομικά Τροχιακά Δημήτρης Κονταρίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ενότητα 4 Αρχές της Κβαντικής Μηχανικής Δημήτρης Κονταρίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 2: Σύστημα δύο σωματιδίων-αρχή της αντιστοιχίας. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ενότητα 11 Διατομικά Μόρια Δημήτρης Κονταρίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ασκήσεις

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 1: Ανασκόπηση Σύγχρονης Φυσικής. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ασκήσεις

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ασκήσεις

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ενότητα 6 Περιστροφική Κίνηση Δημήτρης Κονταρίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Κεφάλαιο 1. Κβαντική Μηχανική ΙΙ - Περιλήψεις, Α. Λαχανάς

Κβαντική Μηχανική ΙΙ. Ενότητα 6: Άτομα σε μαγνητικά πεδία Αθανάσιος Λαχανάς Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Σύγxρονη Φυσική II. Το άτομο του Υδρογόνου Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Σύγxρονη Φυσική II. Μοριακή Δομή ΙΙ Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 3: Κυματική φύση σωματιδίων. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κεφάλαιο 39 Κβαντική Μηχανική Ατόμων

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ: ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΦΥΣΙΚΗ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ/Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΣΕΙΡΑ: ΘΕΡΙΝΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ:

ΜΟΡΙΑΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ

Ακτίνες επιτρεπόμενων τροχιών (2.6)

Γενική Φυσική Ενότητα: Δυναμική Άκαμπτου Σώματος

Διάλεξη 3: Το άτομο του Υδρογόνου. Αναζητούμε λύσεις της χρονοανεξάρτητης εξίσωσης Schrödinger για το κεντρικό δυναμικό

ΜΟΡΙΑΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ

Κλασική Hλεκτροδυναμική

Φυσική IΙ. Ενότητα 3: Ο Νόμος του Gauss. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 12: Ασκήσεις. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ / Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΣΕΙΡΑ: ΘΕΡΙΝΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 10/11/2013

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ II. ΤΟ ΦΩΣ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΟΥ BOHR Ν. ΜΠΕΚΙΑΡΗΣ

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ - Ενότητα 5

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Από τι αποτελείται το Φως (1873)

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 5: Κυματομηχανική. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Κβαντική Θεωρία ΙΙ. Κεντρικά Δυναμικά Διδάσκων: Καθ. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος

ΜΟΡΙΑΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ

ΠΡΟΤΥΠΟ ΛΥΚΕΙΟ ΕΥΑΓΓΕΛΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΣΜΥΡΝΗΣ

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Κλασική Ηλεκτροδυναμική Ι

Λύση 10) Λύση 11) Λύση

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Φυσική IΙ. Ενότητα 1: Ηλεκτρικό φορτίο. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

ΜΟΡΙΑΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ενότητα 12 Μοριακά Φάσματα Δημήτρης Κονταρίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ

Κβαντομηχανική σε. τρεις διαστάσεις. Εξίσωση Schrödinger σε 3D. Τελεστές 2 )

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 23: Ασκήσεις. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Ενδεικτικές λύσεις ασκήσεων διαχείρισης έργου υπό συνθήκες αβεβαιότητας

Μοριακή Φασματοσκοπία I. Παραδόσεις μαθήματος Θ. Λαζαρίδης

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 29: Το άτομο του υδρογόνου. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

1 p p a y. , όπου H 1,2. u l, όπου l r p και u τυχαίο μοναδιαίο διάνυσμα. Δείξτε ότι μπορούν να γραφούν σε διανυσματική μορφή ως εξής.

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 31: Εφαρμογές και η ακτινική εξίσωση του ατόμου του υδρογόνου. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ενότητα 1 Εισαγωγή στη Φυσικοχημεία Δημήτρης Κονταρίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

ΜΟΡΙΑΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 15: Η έννοια του κυματοπακέτου στην Kβαντομηχανική. Τερζής Ανδρέας Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ ΓΕΝΙΚΗΣ / Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΣΕΙΡΑ: ΘΕΡΙΝΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 16/11/2014 ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ: ΑΡΧΩΝ ΜΑΡΚΟΣ ΘΕΜΑ Α

Μετά το τέλος της µελέτης του 1ου κεφαλαίου, ο µαθητής θα πρέπει να είναι σε θέση:

Κλασική Ηλεκτροδυναμική Ι

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Φυσική (Ε) Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα. Ενότητα 2: Θεωρία ταλαντώσεων (Συνοπτική περιγραφή) Αικατερίνη Σκουρολιάκου. Τμήμα Ενεργειακής Τεχνολογίας

Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ

ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ eclass: MED808 Π. Παπαγιάννης

Κβαντική Επεξεργασία Πληροφορίας

Κεφάλαια (από το βιβλίο Serway-Jewett) και αναρτημένες παρουσιάσεις

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 26: Ολοκλήρωση της αλγεβρικής μεθόδου για την μελέτη του αρμονικού ταλαντωτή

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 33: Εφαρμογές στο άτομο του υδρογόνου. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΔΟΜΗ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ ΜΟΡΙΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΤΟΜΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΟΥ BOHR

PLANCK 1900 Προκειμένου να εξηγήσει την ακτινοβολία του μέλανος σώματος αναγκάστηκε να υποθέσει ότι η ακτινοβολία εκπέμπεται σε κβάντα ενέργειας που

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ

ΑΤΟΜΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ. Θέμα B

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 22: Η έννοια της σκέδασης και η εξίσωση συνέχειας στην Κβαντομηχανική. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΦΥΣΙΚΗ. Ενότητα 2: ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ. Αν. Καθηγητής Πουλάκης Νικόλαος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε.

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Σύγxρονη Φυσική II. Ατομική Δομή ΙΙΙ Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής

Εργαστήριο Φυσικοχημείας Ι (ΧΗΜ-311)

Φυσική IΙ. Ενότητα 2: Ηλεκτρικό πεδίο. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

1 η Διάλεξη. Ενδεικτικές λύσεις ασκήσεων

Γενική Φυσική Ενότητα: Εισαγωγή στην Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ασκήσεις

3. Το πρότυπο του Bohr εξήγησε το ότι το φάσμα της ακτινοβολίας που εκπέμπει το αέριο υδρογόνο, είναι γραμμικό.

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 25: Μαθηματική μελέτη του κβαντικού αρμονικού ταλαντωτή. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Φυσική Ι. Ενότητα 9: Στροφορμή. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Δυναμική και Έλεγχος E-L Ηλεκτρομηχανικών Συστημάτων

ΜΟΡΙΑΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Σύγxρονη Φυσική II. Κεντρικά Δυναμικά Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Φυσική Διαστήματος. Ενότητα 1: Ηλιακός Άνεμος. Ξενοφών Δ. Μουσάς Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ - Ενότητα 6

Ηλεκτρικά Κινητήρια Συστήματα

ΜΟΡΙΑΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ

Δυναμική και Έλεγχος E-L Ηλεκτρομηχανικών Συστημάτων

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Ι. Ενότητα 11: Μεταπτώσεις πρώτης και δεύτερης τάξης. Σογομών Μπογοσιάν Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

εκποµπής (σαν δακτυλικό αποτύπωµα)

PLANCK 1900 Προκειμένου να εξηγήσει την ακτινοβολία του μέλανος σώματος αναγκάστηκε να υποθέσει ότι η ακτινοβολία εκπέμπεται σε κβάντα ενέργειας που

Χημεία Γ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ενότητα 5 Μεταφορική και Ταλαντωτική Κίνηση Δημήτρης Κονταρίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Κβαντική Επεξεργασία Πληροφορίας

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 9: Κίνηση Σε Πολικές Συντεταγμένες. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Προσχολική Παιδαγωγική Ενότητα 2: Οργάνωση χρόνου και χώρου στα νηπιαγωγεία

Φυσική ΙΙΙ. Ενότητα 4: Ηλεκτρικά Κυκλώματα. Γεώργιος Βούλγαρης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Επιχειρησιακή Έρευνα

Το φως διαδίδεται σε όλα τα οπτικά υλικά μέσα με ταχύτητα περίπου 3x10 8 m/s.

Transcript:

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ενότητα 7 Ατομική Δομή Δημήτρης Κονταρίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Ενδεικτική βιβλιογραφία 1. ATKINS, ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ P.W. Atkins, J. D Paula (Atkins Physical Chmisty, 9 th Edition, 1) Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 14. ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Στέφανος Τραχανάς Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 1 3. PHYSICAL CHEMISTRY: A Molcula Appoach D.A. McQuai, J.D. Simon Univsity Scinc Books, Sausalito, Califonia, 1997 4. PRINCIPLES OF PHYSICAL CHEMISTRY, nd Edition H. Kuhn, H.-D. Fostling, D.H. Waldck John Wily & Sons, Inc.,

ΜΕΡΟΣ 3 ο ΑΤΟΜΙΚΗ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΑΤΟΜΙΚΑ ΦΑΣΜΑΤΑ

Υδρογονοειδή Άτομα Κλασική Προσέγγιση

Εισαγωγή Στην ενότητα αυτή, θα χρησιμοποιηθούν οι αρχές της Κβαντικής Μηχανικής για την περιγραφή της εσωτερικής δομής των ατόμων, δηλαδή του τρόπου με τον οποίο διευθετούνται τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα. Θα μελετηθούν δύο γενικοί τύποι ατόμων: Υδρογονοειδή άτομα. Πρόκειται για άτομα ή ιόντα με ατομικό αριθμό Z (αριθμός πρωτονίων του πυρήνα), τα οποία περιέχουν ένα ηλεκτρόνιο. Παραδείγματα υδρογονοειδών ατόμων είναι τα H, H +, Li +, O 7+, U 91+. Πολυ-ηλεκτρονιακά άτομα. Πρόκειται για άτομα ή ιόντα με περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν όλα τα ουδέτερα άτομα εκτός από το H. Επομένως, ακόμα και το H, με δύο μόνο ηλεκτρόνια, θεωρείται πολυηλεκτρονιακό άτομο. Τα υδρογονοειδή άτομα είναι σημαντικά, γιατί οι αντίστοιχες εξισώσεις Schöding μπορούν να επιλυθούν επακριβώς. Τα αποτελέσματα της μελέτης τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την περιγραφή της δομής των πολυ-ηλεκτρονιακών ατόμων και των μορίων.

Εισαγωγή Φασματοσκοπία Μια από τις κυριότερες πειραματικές τεχνικές για τον προσδιορισμό της δομής των ατόμων είναι η φασματοσκοπία, δηλαδή η ανίχνευση και η ανάλυση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που απορροφάται ή εκπέμπεται από μια ουσία. Ε Εκπομπή hν imag_ul Ε 1 hν Απορρόφηση Ε Ε 1

Εισαγωγή Φασματοσκοπία Μια από τις κυριότερες πειραματικές τεχνικές για τον προσδιορισμό της δομής των ατόμων είναι η φασματοσκοπία, δηλαδή η ανίχνευση και η ανάλυση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που απορροφάται ή εκπέμπεται από μια ουσία. imag_ul imag_ul

Υδρογονοειδή άτομα Δομή και φάσματα Όταν αέριο υδρογόνο βρεθεί σε θάλαμο με ηλεκτρική εκκένωση, τα μόρια του Η διασπώνται και τα διεγερμένα άτομα Η εκπέμπουν φως σε χαρακτηριστικές διακριτές συχνότητες. Το αποτέλεσμα είναι ένα φάσμα που αποτελείται από μια σειρά «γραμμών». Ο Σουηδός Johanns Rydbg παρατήρησε το 189 ότι όλες οι γραμμές περιγράφονται από την εξίσωση: imag_ul n1 1 n1 n1 3 1 1 RH n n 1 Σειρά Lyman Σειρά Balm Σειρά Paschn R H n 19677,581 cm Σταθερά Rydbg n 1, n,... 1 1 1

Υδρογονοειδή άτομα Δομή και φάσματα 1 1 RH n n 1 Η μορφή της εξίσωσης υποδεικνύει ότι ο κυματαριθμός κάθε γραμμής μπορεί να γραφεί ως η διαφορά μεταξύ δύο όρων, καθένας από τους οποίους έχει τη μορφή: T n R H άρα 1 n T T Επομένως, η συχνότητα στην οποία εμφανίζεται μια γραμμή του φάσματος δίνεται από τη σχέση: ct ct 1 Η ύπαρξη χαρακτηριστικών γραμμών στα φάσματα εκπομπής και απορρόφησης των ατόμων υποδηλώνει ότι μόνο ορισμένες ενεργειακές καταστάσεις είναι επιτρεπτές. imag_ul

Το ατομικό πρότυπο του Boh Το 1911, ο Δανός φυσικός Nils Boh πρότεινε μια εντυπωσιακά απλή και κομψή θεωρία για την ερμηνεία του φάσματος του ατόμου του υδρογόνου. Σύμφωνα με το πρότυπο του Boh: Το άτομου του υδρογόνου αποτελείται από ένα (σταθερό) πυρήνα, γύρω από τον οποίο περιστρέφεται το (μοναδικό) ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο μπορεί να περιστρέφεται μόνο σε ορισμένες επιτρεπτές τροχιές. Όταν το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε μια από τις επιτρεπτές τροχιές, η ενέργειά του είναι σταθερή και το άτομο δεν ακτινοβολεί. Το άτομο ακτινοβολεί όταν μεταβαίνει από μια τροχιά σε μια άλλη χαμηλότερης ενέργειας. Η ενέργεια του εκπεμπόμενου φωτονίου είναι ίση με τη διαφορά μεταξύ της αρχικής (Ε i ) και της τελικής (Ε f ) κατάστασης: E E E h f i Nils Boh (1885-196) imag_ul

Το ατομικό πρότυπο του Boh Στροφορμή Ο Boh πρότεινε ότι η στροφορμή του περιστρεφόμενου ηλεκτρονίου είναι κβαντωμένη, δηλαδή δε μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή. imag_ul Το αποτέλεσμα αυτό εξάγεται εύκολα (με τη σημερινή γνώση) θεωρώντας ότι: (α) το ηλεκτρόνιο είναι ένα υλικό κύμα (κατά d Bogli), και (β) το κύμα αυτό πρέπει να αναπαράγεται (να είναι σε φάση) μετά από μια πλήρη περιστροφή του ηλεκτρονίου. L m = h p n h m m nh m n n 1,,3,...

Το ατομικό πρότυπο του Boh Τροχιές Σύμφωνα με τον Boh, το ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου παραμένει σε τροχιά υπό την επίδραση δύο δυνάμεων: της ελκτικής δύναμης Coulomb, και της φυγόκεντρης δύναμης 4 m n n 1,,3,... m n 4 m n Επομένως, οι ακτίνες περιστροφής (τροχιές Boh) είναι κβαντωμένες, και εξαρτώνται από την τιμή του αριθμού n. Η ακτίνα της πρώτης τροχιάς Boh (n=1) είναι: a 5,9 pm n 1,,3,... imag_ul : φορτίο ηλεκτρονίου : επιτρεπτότητα κενού : ακτίνα περιστροφής : μάζα ηλεκτρονίου m : ταχύτητα ηλεκτρονίου : σταθερά του Planck

Το ατομικό πρότυπο του Boh Ενέργεια Η δυναμική ενέργεια του ηλεκτρονίου, όταν αυτό βρίσκεται σε απόσταση από το πρωτόνιο, δίνεται από το Νόμο του Coulomb. Η κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι: E V K 4 1 m 8 (1) Το αρνητικό πρόσημο υποδεικνύει ότι η δυναμική ενέργεια είναι μικρότερη από αυτή που θα είχε το σύστημα αν τα δύο σωματίδια βρισκόταν σε άπειρη απόσταση μεταξύ τους [V( )=]. () Η ολική ενέργεια του ηλεκτρονίου στο άτομο είναι ίση με το άθροισμα της δυναμικής (Εξ. 1) και της κινητικής (Εξ. ) του ενέργειας: imag_ul 4 m E m 4 8

Το ατομικό πρότυπο του Boh Ενέργεια E m 4 8 E n 8 h 4 n n 1,,3,... m 1 n imag_ul Το αρνητικό πρόσημο υποδεικνύει ότι οι επιτρεπτές ενέργειες αντιστοιχούν σε δέσμιες καταστάσεις. Η κατάσταση με τη χαμηλότερη ενέργεια (n=1) ονομάζεται θεμελιώδης, ενώ εκείνες με υψηλότερη ενέργεια (n>) ονομάζονται διεγερμένες καταστάσεις. Ο Boh ερμήνευσε το φάσμα εκπομπής του ατόμου του υδρογόνου υποθέτοντας ότι κατά τη μετάβαση του ηλεκτρονίου από μια διεγερμένη κατάσταση σε μια άλλη χαμηλότερης ενέργειας εκπέμπεται φωτόνιο με ενέργεια ίση με ΔE. E 4 m 1 1 8 h n1 n n n 1 h

Το ατομικό πρότυπο του Boh Φάσματα m 1 1 E 8 4 h n1 n h h c m 8 1 1 4 3 ch n1 n 1 1 RH n n 1 Η τιμή που προκύπτει για τη σταθερά Rydbg (19737 cm -1 ) βρίσκεται σε εξαιρετική συμφωνία (,5%) με εκείνη που παρατηρείται πειραματικά (19677,58 cm -1 ). imag_ul imag_ul

Το ατομικό πρότυπο του Boh Σύνοψη m n n 1,,3,... Η θεωρία του Boh, παρά την κομψότητα και την επιτυχία της στην ερμηνεία του φάσματος του ατόμου του υδρογόνου, απέτυχε διότι: n E n 4 m m 8 n 8 m 1 n 1 4 h n n 1 1 4 3 ch n1 n προτείνει ότι η στροφορμή είναι κβαντωμένο μέγεθος αλλά δεν εξηγεί το γιατί. δε μπορεί να επεκταθεί σε συστήματα δύο ηλεκτρονίων τόσο απλά όσο το άτομο του H και επομένως, δε μπορεί να ερμηνεύσει τα φάσματα των πολυηλεκτρονιακών ατόμων και ιόντων. Μεταχειρίζεται τα ηλεκτρόνια ως σωματίδια με εντελώς καθορισμένη θέση και ορμή, το οποίο είναι σε αντίθεση με την αρχή της αβεβαιότητας του Hiznbg. δε μπορεί να εξηγήσει τις σχετικές εντάσεις των φασματικών γραμμών. Δε μπορεί να εξηγήσει τα φάσματα που προκύπτουν όταν το σύστημα βρίσκεται υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου.

Υδρογονοειδή Άτομα Κβαντομηχανική Προσέγγιση

Αλληλεπίδραση Coulomb Όταν ένα σημειακό φορτίο q 1 βρίσκεται σε απόσταση (στο κενό) από ένα άλλο σημειακό φορτίο q, τότε η δυναμική ενέργεια είναι: V qq 1 4 Η σταθερά ε είναι η διαπερατότητα του κενού: 8,851 C J m 1 1 1 Η δυναμική ενέργεια Coulomb είναι ίση με το έργο που πρέπει να προσφερθεί ώστε να μεταφερθεί το φορτίο q 1 από το άπειρο σε απόσταση από το q. Η ηλεκτρική δύναμη, F, που επάγει ένα φορτίο q 1 σε ένα φορτίο q, έχει μέτρο: Η δύναμη αυτή είναι διάνυσμα με διεύθυνση κατά μήκος της γραμμής που ενώνει τα δύο φορτία. F qq 1 4 Όταν τα φορτία βρίσκονται σε μέσο διαφορετικό από το κενό, η δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασης μεταξύ τους μειώνεται, και η διαπερατότητα του κενού, ε, αντικαθίσταται από τη διαπερατότητα του μέσου, ε.

Δυναμικό Coulomb V qq 1 4 Η δυναμική ενέργεια ενός φορτίου q 1, παρουσία φορτίου q, μπορεί να εκφραστεί ως προς το δυναμικό Coulomb, φ: V q 1 q 4 Οι μονάδες για το δυναμικό είναι J C -1 ή V 1 V 1 J C 1 Όταν υπάρχουν πολλά φορτία q, q 3, στο σύστημα, η συνολική δυναμική ενέργεια που αντιλαμβάνεται το φορτίο q 1 είναι το άθροισμα των επιμέρους δυναμικών που επάγονται από το κάθε φορτίο. Όταν η κατανομή φορτίου είναι πιο περίπλοκη από ότι στην περίπτωση σημειακών φορτίων, το δυναμικό Coulomb εκφράζεται με όρους πυκνότητας φορτίου, ρ. Το ηλεκτρικό δυναμικό που προκύπτει από την κατανομή φορτίου πυκνότητας ρ είναι η λύση της εξίσωσης Poisson. 3...

Η δομή των υδρογονοειδών ατόμων Η δυναμική ενέργεια Coulomb ενός υδρογονοειδούς ατόμου με ατομικό αριθμό Z και πυρηνικό φορτίο Z είναι: είναι η απόσταση του ηλεκτρονίου από τον πυρήνα και ε είναι η επιτρεπτότητα του κενού. V Z 4 Στο πλήρες σύστημα, η Χαμιλτονιανή για το ηλεκτρόνιο () και τον πυρήνα (Ν) θα είναι: H H, H, N V Z m m 4 N N Διαισθητικά, μπορούμε να υποθέσουμε ότι η πλήρης εξίσωση Schöding θα πρέπει να μπορεί να διαχωριστεί σε δύο επιμέρους εξισώσεις: Μια για την κίνηση του ατόμου σαν σύνολο Μια για τη σχετική κίνηση του ηλεκτρονίου ως προς τον πυρήνα. Στη συνέχεια, θα ασχοληθούμε μόνο με τη δεύτερη εξίσωση, αυτή που σχετίζεται με την (εσωτερική) κίνηση του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα.

Η δομή των υδρογονοειδών ατόμων Η εξίσωση Schöding για την εσωτερική κίνηση του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα είναι η ακόλουθη: V Z 4 Z E 4 1 1 1 m m N Με μ συμβολίζεται η ανηγμένη μάζα του συστήματος πυρήνα-ηλεκτρονίου. Η ανηγμένη μάζα έχει τιμή περίπου ίση με αυτή της μάζας του ηλεκτρονίου γιατί m N >> m και, επομένως, 1/μ 1/m. Στις περιπτώσεις που δεν απαιτείται πολύ μεγάλη ακρίβεια, η ανηγμένη μάζα μπορεί να αντικατασταθεί από τη μάζα του ηλεκτρονίου (στο εξής m): Z E m 4

Η δομή των υδρογονοειδών ατόμων Z E m 4 Η εξίσωση μπορεί να γραφεί σε πολικές συντεταγμένες: 1 sin 1 1 sin sin 1 m E V Επειδή η δυναμική ενέργεια είναι κεντροσυμμετρική (ανεξάρτητη της γωνίας), μπορούμε να υποθέσουμε ότι η εξίσωση μπορεί να διαχωριστεί σε μια ακτινική και μια γωνιακή συνιστώσα. (,, ) R( ) Y(, )

Η δομή των υδρογονοειδών ατόμων 1 m RY VRY ERY Επειδή το R εξαρτάται μόνο από το, και το Υ εξαρτάται μόνο από τις γωνιακές συντεταγμένες θ και φ, η εξίσωση γίνεται:,, RY, R Y R R Y Y VRY m ERY Πολλαπλασιάζοντας με /RY, λαμβάνουμε: R R mr my V Y E

Η δομή των υδρογονοειδών ατόμων R R mr my V Y E Θέτουμε τον όρο αυτό ίσο με μια σταθερά: Y my m l l 1 Y l l 1 Y Ο όρος εξαρτάται μόνο από τις γωνιακές μεταβλητές (θ,φ) Γωνιακή συνιστώσα Οι υπόλοιποι όροι της εξίσωσης, οι οποίοι εξαρτώνται μόνο από το, θα πρέπει να είναι ίσοι με την ίδια σταθερά. Προκύπτει ότι: u V ff u Eu m u R V ff 1 Z l l 4 m Ακτινική συνιστώσα Ενεργός δυναμική ενέργεια

Γωνιακή συνιστώσα 1 1 Y l l 1Y sin sin Η εξίσωση αυτή είναι η ίδια με την εξίσωση Schöding για σωματίδιο το οποίο κινείται ελεύθερα στην επιφάνεια σφαίρας. sin Οι λύσεις της εξίσωσης είναι οι σφαιρικές αρμονικές, και καθορίζονται από τους κβαντικούς αριθμούς l και m l Οι σφαιρικές αρμονικές imag_ul Κβαντικός αριθμός τροχιακής στροφορμής l, 1,,... Μαγνητικός κβαντικός αριθμός m l, l 1, l,..., l l l 1 τιμές

Ακτινική συνιστώσα u V ff u Eu m u R V ff 1 Z l l 4 m Η ακτινική κυματοσυνάρτηση περιγράφει την κίνηση ενός σωματιδίου μάζας m σε μονοδιάστατη περιοχή, όπου η δυναμική ενέργεια είναι ίση με V ff. Μπορούμε να πάρουμε μια ιδέα για τη μορφή των ακτινικών κυματοσυναρτήσεων αναλύοντας τη μορφή του V ff. Ο πρώτος όρος είναι η δυναμική ενέργεια Coulomb του ηλεκτρονίου στην περιοχή του πυρήνα. Ο δεύτερος όρος σχετίζεται με τη φυγόκεντρο δύναμη της Κλασικής Φυσικής, η οποία προκύπτει από τη στροφορμή του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα. Για l=, το ηλεκτρόνιο δεν έχει στροφορμή και το ενεργό δυναμικό, V ff, είναι καθαρά τύπου Coulomb και, επομένως, ελκτικό για κάθε.

Ακτινική συνιστώσα u V ff u Eu m u R V ff 1 Z l l 4 m Για l, υπάρχει συνεισφορά (άπωση) στο V ff από τον όρο που σχετίζεται με τη φυγόκεντρο δύναμη. Όταν το ηλεκτρόνιο βρίσκεται κοντά στον πυρήνα ( ), η άπωση αυτή, η οποία είναι ανάλογη του 1/, υπερισχύει της ελκτικής δύναμης Coulomb, η οποία εξαρτάται από το 1/. Άρα, το ηλεκτρόνιο απωθείται από τον πυρήνα. Όταν η απόσταση από τον πυρήνα αυξάνει, οι λύσεις για l= και l θα είναι παρόμοιες, και θα τείνουν εκθετικά στο μηδέν. Για l=, το ηλεκτρόνιο δεν έχει στροφορμή και το ενεργό δυναμικό, V ff, είναι καθαρά τύπου Coulomb και, επομένως, ελκτικό για κάθε.

Ακτινική συνιστώσα u V ff u Eu m u R V ff 1 Z l l 4 m Με βάση τα παραπάνω, θα πρέπει να αναμένουμε ότι οι λύσεις της εξίσωσης για l= και l θα είναι πολύ διαφορετικές κοντά στον πυρήνα, αλλά παρόμοιες πολύ μακριά από αυτόν. Αποδεικνύεται ότι κοντά στον πυρήνα, η ακτινική κυματοσυνάρτηση είναι ανάλογη του l. Όσο μεγαλύτερη είναι η στροφορμή, τόσο λιγότερο πιθανό είναι να βρεθεί το ηλεκτρόνιο κοντά στον πυρήνα. 1 3 Αντίθετα, για τροχιακά με l=, υπάρχει μια ορισμένη μη μηδενική τιμή για την πιθανότητα ύπαρξης του ηλεκτρονίου στον πυρήνα.

Ακτινική συνιστώσα - Λύσεις Οι λύσεις της ακτινικής εξίσωσης πρέπει να ικανοποιούν τις απαιτήσεις για: (α) εξάρτηση τύπου l κοντά στον πυρήνα, και (β) εκθετική μείωση πολύ μακριά από τον πυρήνα. Τα δύο αυτά όρια ικανοποιούνται μόνο για ακέραιες τιμές ενός κβαντικού αριθμού n. Οι επιτρεπτές ενέργειες που αντιστοιχούν σε αυτές τις επιτρεπτές ακτινικές κυματοσυναρτήσεις δίνονται από την εξίσωση: E n Z m 3 4 1 n n 1,,... Οι ακτινικές κυματοσυναρτήσεις εξαρτώνται από τους κβαντικούς αριθμούς n και l, αλλά όχι από το m l. Οι κυματοσυναρτήσεις αυτές έχουν τη γενική μορφή: πολυώνυμο του φθίνον εκθετικό του R

Ακτινική συνιστώσα - Λύσεις Οι ακτινικές κυματοσυναρτήσεις μπορούν να απλουστευθούν με χρήση της αδιάστατης παραμέτρου ρ: Z na a 4 m 5,9 pm Με a συμβολίζεται η ακτίνα Boh. Η ονομασία προέρχεται από το μοντέλο του Boh για το άτομο του υδρογόνου, στο οποίο το a αντιστοιχεί στην ακτίνα περιστροφής ηλεκτρονίου με τη χαμηλότερη ενέργεια. Οι ακτινικές κυματοσυναρτήσεις για ηλεκτρόνιο με κβαντικούς αριθμούς n και l δίνονται από την εξίσωση: R ( ) N L ( ) l l1 / n, l n, l n1 πολυώνυμο του φθίνον εκθετικό του R

Ακτινική συνιστώσα - Λύσεις R ( ) N L ( ) l l1 / n, l n, l n1 Z na Στην παραπάνω εξίσωση, L είναι πολυώνυμα του ρ, τα οποία ονομάζονται συνδεδεμένα πολυώνυμα Lagu. Τα πολυώνυμα αυτά, συνδέουν τις λύσεις για στο αριστερό τους μέρος, τα οποία αντιστοιχούν σε R~ρ l με την εκθετικά φθίνουσα συνάρτηση στο δεξιό τους μέρος. Συνοψίζοντας, (α) ο εκθετικός όρος βεβαιώνει ότι η κυματοσυνάρτηση τείνει προς το μηδέν μακριά από τον πυρήνα. (β) ο παράγοντας ρ l βεβαιώνει ότι η κυματοσυνάρτηση μηδενίζεται στον πυρήνα (για l>). (γ) τα συνδεδεμένα πολυώνυμα Lagu ταλαντώνονται από θετικές σε αρνητικές τιμές και σχετίζονται με την ύπαρξη κόμβων (ακτινικά). πολυώνυμο του φθίνον εκθετικό του R

Ακτινική συνιστώσα - Λύσεις R ( ) N L ( ) l l1 / n, l n, l n1 Z na Ακτινικές κυματοσυναρτήσεις υδρογονοειδών ατόμων imag_ul

Ακτινική συνιστώσα - Λύσεις R ( ) N L ( ) l l1 / n, l n, l n1 Z na n=1, l= n=3, l= n=1, l=1 n=, l= n=, l=1 n=3, l=

Ακτινική συνιστώσα - Λύσεις Τα τροχιακά με l= έχουν μια ορισμένη, μη μηδενική τιμή στον πυρήνα. n=1, l= n=3, l= n=1, l=1 n=, l= n=, l=1 n=3, l=

Ακτινική συνιστώσα - Λύσεις Η κλίμακα στον οριζόντιο άξονα δεν είναι η ίδια. Τα τροχιακά με μεγαλύτερο κβαντικό αριθμό, n, βρίσκονται σε μεγαλύτερη απόσταση από τον πυρήνα. n=1, l= n=3, l= n=1, l=1 n=, l= n=, l=1 n=3, l=

Αναφορές Σε όσες εικόνες δεν αναφέρεται η προέλευσή τους προέρχονται από το βιβλίο ATKINS, ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ P.W. Atkins, J. D Paula (Atkins Physical Chmisty, 9 th Edition, 1) Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 14

Τέλος Ενότητας

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιο του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σημείωμα Ιστορικού εκδόσεων έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1...

Σημείωμα αναφοράς Copyight Πανεπιστήμιο Πατρών. Αναπληρωτής Καθηγητής, Δημήτρης Κονταρίδης. «Φυσικοχημεία Ι». Έκδοση: 1.. Πάτρα 15. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://class.upatas.g/couss/cmng17/

Σημείωμα αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Cativ Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4. [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://cativcommons.og/licnss/by-nc-sa/4./ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.