CURS 10 INTERACTIUNEA RADIATIILOR ELECTROMAGNETICE CU SUBSATNTA CARACTERUL CORPUSCULAR AL RADIATIILOR ELECTROMAGNETICE ATOMUL, STRUCTURA SI PROPRIETATILE ATOMILOR
I. Interactiunea radiatiilor electromagnetice cu substanta caracterul ondulatoriu al radiatiilor electromagnetice I.1 Efectul fotoelectric Efectul fotoelectric consta in emisia de electroni de catre un corp (metalic sau nemetalic,, solid lichid sau gaz) iradiat cu radiatii electromagnetice. catod Sursa de radiatii em monocromatice tub vidat anod I Φ 1 Φ 3 (Φ 3 >Φ >Φ 1 ) Φ Fig. Caracteristica curent tensiune a efectului fotoelectric electroni emisi de catod I s1 I s I s3 reostat I Φ 3 U E c max Fig. 4 - + sursa de tensiune Fig. 3 Φ M 1 M M 3 Fig. 1 Montajul experimental pentru studiul efectului fotoelectric Φ 1 ν 0 ν (frecventa ( rad. em) ν ν 01 ν 0 ν 03
Fig. 5 Efectul fotoelectric electroni radiatii em electron fotocatod I.1.1 Legile efectului fotoelectric anod 1. Intensitatea curentului fotoelectric de saturatie creste direct proportional cu fluxul radiatiilor A electromagnetice incidente, pentru o frecventa data a acestora.. Energia cinetica a fotoelectronilor emisi creste liniar cu frecventa radiatiilor em incidente si nu depinde de fluxul acestora. 3. Efectul fotoelectric extern se produce numai daca frecventa radiatiei incidente este mai mare sau cel putin egala cu o valoare minima (frecventade( prag sau pragul rosu al efectului fotoelectric), specifica fiecarei substante. Observatie: Legile efectului fotoelectric nu pot fi explicate cu ajutorul teoriei ondulatorii a luminii. Conform teoriei ondulatorii: 1. intre eneria cinetica a electronului extras si fluxul radiatiilor incidente ar trebui sa existe o relatie de dependenta.. Efectul fotoelectric ar trebui sa se produca pentru orice frecventa a radiatiilor incidente.
I.1. Ipoteza lui Planck, cuante de energie, fotonii Intensitatea radiatiilor emise de un corp creste odata cu frecventa radiatiilor emise de corp pana la o valoare maxima dupa care scade pentru valori mai mari ale frecventei (experimental). Cu cat corpurile sunt icalzite mai mult, frecventa radiatiilor emise de acestea creste (ex. Un corp incalzit la 300-400 o C va emite in mod predominant radiatii rosii sau infrarosii). Conform teoriei clasice a radiatiilor electromagnetice, intensitatea radiatiilor emise trebuie sa creasca odata cu frecventa acestora. intensitatea teoretic Fig. 6 experimental frecventa Pentru a explica dependenta de frecventa a intensitatii radiatiilor emise sau absorbite de un corp si totodata contradictia cu teoria clasica,, Max Planck enunta (in 1900) o ipoteza revolutionara conform careia energia radiata sau absorbita este cuantificata (poate avea doar valori discrete) si proportionala cu frecventa radiatiilor. E=hν (1) h=constanta lui Planck, h=6.66 10-34 J s (4.136 10 10-15 ev s) Obs.: ipoteza lui Planck fiind in contradictie cu teoria clasica deschide drumul spre o noua era in fizica marcata de teoria cuantica. Max Planck (1856-1947): 1947): fizician german, fondator al mecanicii cuantice.
Conform teoriei lui Planck radiatiile electromagnetice sunt formate din manunchiuri alcatuite din bucati discrete de energie numite cuante de energie. Cuanta de energie a radiatiilor electromagnetice a fost numita foton. Fotonul se comporta ca o particula fiind caracterizat prin masa si impuls. Conform teoriei relativitatii: E = mc = hν hν m c m = (3) = m 0 v 1 c () (4) m 0 =masa de repaus a fotonului v m m 1 0 c hν p mc = = c = (5) h λ = (5) Conform teoriei relativitatii,, in vid v=c => m 0 =0 (fotonul( nu are masa de repaus (nu poate exista in repaus)). p=impulsul fotonului λ=c T=c/ c/ν (lungimea de unda a radiatiei)
I.1.3 Explicarea cuantica a efectului fotoelectric In 1905 Albert Einstein explica efectul fotoelectric plecand de la ipoteza lui Planck. Admitand ca energia radiatiilor electromagnetice este cuantificata si aplicand conservarea energiei, energia cinetica maxima a fotoelectronilor se poate exprima astfel: E c = hν L (6) max L= lucrul mecanic de extractie (lucrul mecanic necesar extragerii electronului din material). Relatia (6) arata ca efectul fotoelectric apare doar daca: > ν 0 unde n0 este frecventa de parg a efectului = L h ν (7) efectului fotoelectric. Frecventa de prag a efectului fotoelectric depinde de natura materialului. Relatia (6) explica si dependenta liniara a energiei cinetice maxime a fotoelectronilor de frecventa radiatiilor electromagnetice. Albert Einstein (1879-1955), 1955), fizician nascut in Germania.. A formulat teoria relativitatii generalizate, determinand aparitia unei noi ere in fizica, fiind considerat parintele fizicii moderne.. In 191 primeste Premiul Nobel in Fizica pentru serviciile aduse fizicii teoretice si in special pentru explicarea efectului fotoelectric.
I.1.4 Aplicatii ale efectului fotoelectric, celula fotoelectrica Fotodetectorii sunt dispozitive care transforma un semnal luminos in unul electric Celula fotoelectrica este alcatuita dintr-un tub vidat sau continand un anumit gaz inert la presiune redusa,, care are in interior doi electrozi (catodul si anodul). Sub actiunea radiatiilor electromagnetice fotocatodul emite electroni care sunt antrenati in miscare spre anod datorita campului electric dintre anod si catod si sunt captati de acesta, determinand aparitia unui curent electric ce se pate masura cu ajutorul galvanometrului G. G Fig. 7 Celula fotoelectrica
I. Efectul Compton La imprastierea radiatiilor X pe atomi usori, pentru unghiuri de imprastiere mari pe langa radiatiile cu lungimea de unda a radiatiilor incidente mai exista si alte radiatii cu lungimi de unda mai mari. foton incident (hν 0 ) electron emis foton foton imprastiat ϕ θ Fig. 7 Efectul Compton spectrometru Röntgen imprastiat (hν) bloc grafit sursa de raze X (tub Röntgen) Explicarea efectului Compton se face pe baza interactiunii dintre fotoni si electronii substantei imprastietoare. Aplicand conservarea energiei si impulsului (consideram ciocnirea dintre foton si electron ca fiind perfect elastica) obtinem: h ν = h ν + E + Unde hν 0 reprezinta energia fotonului incident, hν L energia fotonului imprastiat, E c energia cinetica a 0 c r r r (8) electronului (presupus initial in repaus) si L lucrul p0 = p + p e mecanic de extractie al electronului din materialul imprastietor.
Rezolvand sistemul de ecuatii (8) obtinem: Δλ = h m c 0 sin θ (9) unde Δλ reprezinta variatia lungimii de unda a fotonului in urma interactiunii cu electronul aflat in repaus,, h reprezinta constanta lui Planck, m 0 masa de repaus a electronului,, c viteza luminii in vid si θ unghiul de imprastiere. Concluzii: 1. Efectul Compton confirma teoria corpusculara a luminii.. Variatia lungimii de unda Δλ) (Δλ este independenta de natura substantei imprastietoare. 3. Variatia lungimii de unda depinde de unghiul de imprastiere. Arthur Holly Compton (189-196), 196), fizician american, laureat al premiului Nobel pentru descoperirea si explicarea efectului Compton.
II. ATOMUL, STRUCTURA SI PROPRIETATILE ATOMILOR
II.1 Structura si proprietatile atomilor II.1.1 Structura atomica a materiei In fizica si chimie teoria atomica este o teorie despre structura materiei care stipuleaza ca materia este alcatuita unitati (particule) disticte numite atomi. Teoria atomica apare ca si un concept filozofic inca din antichitate. - Filozoful grec Leucippus (sec V B.C.) este primul care a sugerat ca materia (substanta) este alcatuita din particule indentice pe care le-a numit atomi (atom=indivizibil gr.). - Democrit (Demokritos)) (elev( si discipol al lui Leucippus) (460-370 B.C.) dezvolta teoria lui Leucippus, sugerand ca miscarea continuua a atomilor explica formarea Pamantului si a Universului. - Teoria atomica este respinsa de Aristotel (384-3 3 B.C.) iar scrierile sale au influentat timp de aprox.. 1500 ani conceptia despre structura materiei. - Teoria atomica intra in circuitul stiintific incepand cu secolul al XVIII-lea cand numeroasele rezultate obtinute in chimie sugerau ca substanta se comporta ca si cum ar fi alcatuita din particule indivizibile. - In 1808 Jhon Dalton publica cartea The New System of Chemical Philosophy in care propune prima teorie sistematica despre natura atomica a substantei.. El stipuleaza ca materia este alcatuita din atomi care sunt indivizibili, toti atomii unui element dat sunt identici iar diferitele elemente chimice sunt alcatuite din atomi cu proprietati diferite iar reactiile chimice dintre diferite substante determina doar rearanjarea atomilor din care acestea sunt constituite. - J. J. Thomson descopera ca atomul contine particule incarcate cu sarcina negativa pe care le-a numit corpusculi iar mai apoi au fost numiti electroni (aprox.. 1900).
-In 1911 Ernest Rutherford propune modelul nuclear al atomului,, in care atomii sunt considerati ca fiind formati dintr-un nucleu incarcat cu sarcina electrica pozitiva si electroni incarcati negativ care graviteaza in jurul acestuia. - Teoria atomica despre structura materiei cunoaste o mare dezvoltare in secolul al XX-lea odata cu aparitia teoriei cuantice. - Astazi consideram atomul ca fiind cea mai mica fractune de substanta care inca pastreaza proprietatile chimice ale substantei din care provine. - Materia se compune din elemente chimice. Până în prezent au fost identificate 111 elemente. -Dintre acestea, elementele care predomină sunt oxigenul (46,1%), siliciul (8,%), aluminiul (8,3%), fierul (5,63%), calciul (4,15%), sodiul (,36%), magneziul (,33%), potasiul (,09%). -Elementele sunt formate din atomi caracteristici (conţin un nucleu constituit din protoni,, cu sarcină pozitivă şi neutroni care sunt fără sarcină electrică, şi electroni cu sarcină negativă,, care se mişcă în jurul nucleului, pe orbite discrete, care pot fi parcurse cu o anumită probabilitate)
II.1. Dimensiunea si sarcina electrica a atomilor Consideram ca substanta este descrisa de o anumita valoare a masei si ocupa un anumit spatiu. Consideram ca substanta este alcatuita din atomi, acestia fiind formatiunile de baza din care este alcatuita substanta. Atomii nu pot fi divizati prin metode chimice. Care sunt dimensiunile atomilor? Diversele experimente fizice si chimice arata ca numarul de atomi (molecule) dintr-un mol de substanta este egal cu numarul lui Avogadro (N A =6.01367 * 10 3 atomi/mol). Volumul unui mol de substanta se poate exprima atfel: Unde M este masa molara si M V = (10) d Volumul atomic poate fi determinat astfel: si d reprezinta densitatea substantei considerate. V atome 1 N A M d = (11) Considerand atomii de forma sferica, raza acestora va fi: r atom 1 = * 4 π 3 1 N A M d 1/3 (1)
Valoarea razei atomice calculate cu formula (1) pentru aluminiu este: r Al 1.59*10-10 m=1.59 Å Numeroase experimente au demonstrat ca atomii contin particule incarcate cu sarcina electrica negativa numite electroni. Numarul de electroni dintr-un atom poarta denumirea de numar atomic (Z). Atomii sunt neutri din punct de vedere electric. Neutralitatea de sarcina a atomilor impune ca fiecare atom sa contina o sarcina electrica pozitiva egala cu sarcina electronica totala. Datele experimentale evidentiaza ca masa electronilor este mult mai mica comparativ cu masele atomce.. In consecinta, sarcinile pozitive continute de atomi vor avea o masa mult mai mare comparativ cu masa electronilor.
II. Modele atomice II..1 Modelul sferei solide (propus de J. Dalton la 1800) Atomii sunt considerati ca fiind sfere solide, indistructibile. Atomii a doua sau mai multe elemente chimice se por combina si forma compusi chimici. Acest model explica: unele proprietati chimmice cum ar fi combinarea atomilor pentru formarea de molecule. confirma legile fundamentale ale chimiei: conservarea masei in reactiile chimice si legea proportiilor definite. Acest model nu poate explica: Existenta nucleului atomic, Existenta ionilor si izotoplilor, Fig.8 Modelul atomic a lui Dalton (modelul( sferei solide) Nu presupune existenta particulelor subatomice,, a electronilor, protonilor si neutronilor.
II.. Modelul atomic cozonac cu stafide (propus de Sir John Joseph Thomson (1856-1940) la 1900) Atomii sunt considerati ca fiind sfere solide confectionate dintr-o masa solida incarcata cu sarcina electrica pozitiva care contine particule mici incarcate cu sarcina electrica negativa. Acest model explica: existenta electronilor si a miezului incarcat cu sarcina pozitiva, introduce conceptul de nucleu atomic, permite determinarea densitatii relative a nucleului si a masei atomice pentru diferiti atomi. Acest model nu poate explica: existenta electronilor in afara nucleului atomic, rolul electronilor in cazul legaturilor chimice, Fig. 9 Modelul cozonac cu stafide pentru atomul de Be nu mentioneaza existenta neutronilor, nu poate explica radioactivitatea si existenta izotopilor. Sir Joseph John "J. J." Thomson (1856-1940), 1940), fizician englez, creditat pentru desoperirea electronilor si a izotopilor, inventator a spectrometrului de masa.
II..3 Experientele lui Rutherford si modelul planetar al atomului II..3.1 Imprastierea particulelor a pe placi metalice subtiri de aur Intre anii 1909-1911 1911 Ernest Rutheford si studentii sai - Hans Geiger (188-1945) 1945) si Ernest Marsden efectueaza cateva experiente in care studiaza imprastierea particulelor α pe foite subtiri de Au. Rutheford stia ca particulele α contin sarcina -e. Rutherford sugereaza ca atomul este constituit dintr-un nucleu incarcat cu sarcina electrica pozitiva si din electroni incarcati negativ,, care graviteaza in jurul nucleului atomic. Experimentele efectuate arata ca o parte din particulele incidente sunt reflectate de foita de Au. Rutheford face o analiza teoretica a unghiului de imprastiere considerand atat modelul atomic a lui Thomson cat si modelul planetar propus de el. Experimentele efectuate de Thomson confirma validitatea modelului planetar al atomului. foiţa de Au ecran detector fanta sursa de part. α Fig. 10 Imprastierea particulelor α pe foite de Au
II..3. Modelul Planetar al atomului (propus in 1911 de catre Ernest Rutherford) Considera ca atomul este format dintr-un nucleu atomic incarcat cu sarcina electrica pozitiva si care inglobeaza aproape intreaga masa atomica si in jurul caruia graviteaza electronii cu o masa mult mai mica si incarcati cu sarcina electrica negativa. Modelul planetar al atomului Fig. 11 Modelul planetar al atomului reprezinta prima viziune reala si moderna despre structura atomului. Explica de ce electronii se rotesc in jurul nucleului. Descriu atomul ca un spatiu aproape vid constituit dintr-un nucleu dens si electroni de masa mult mai mica care graviteaza in jurul acestuia. nucleu Modelul planetar: Nu plaseaza electronii pe nivele energetice bine definite, Nu presupune existenta neutronilor in nucleul atomic, Nu explica sarcina de valenta a atomiloe, Nu poate explica stabilitatea in timp a atomilor. + elélectron lectron Ernest Rutherford (1871-1937), 1937), fizician din Noua Zeelanda, consderat ca fiind parintele fizicii nucleare. -
II..3.3 Modelul clasic al atomului si validitatea sa Consideram modelul planetar al atomului: r +Ze F e Fig. 1 Modelul planetar al atomului Energia cinetica a electronului este: v K -e = 1 mv Asupra electronului actioneaza forta de atractie electrostatica exercitata de nucleu. Electronul efectueaza o miscare circulara in jurul nucleulei. 1 e = 4πε r 0 1 Ze mv F = = = 4πε r r e F cp 0 (15) Energia totala a electronului se poate exprima astfe: e e e E = K + U = = (16) 8πε r 4πε r 8πε r 0 0 0 (13) Pentru atomul de hidrogen (Z=1), viteza electronuli va fi: e v = (cazul nerelativistic ) (14) 4πε 0 mr ε 0 =8.856*10-1 F/m (permitivitatea electrica a vidului) 1/4πe 0 =9*10 9 Nm/C c 3*10 8 m/s (viteza luminii in vid) Obs.: Energia totala a electronului in atom este negativa => electronul se afla intr-o stare legata.
Din punct de vedere clasic si in conformitate cu teoria electromagnetismului,, o sarcina electrica aflata in miscare accelerata va emite energie (radiatii electromagnetice) si energia sa totala se va diminua in timp. Electronul aflat in miscare circulara in jurul nucleului (miscare accelerata) va emite energie (unde em) si conform teoriei clasice in timp el va cadea pe nucleu!! e - nucleu Fig. 13 Instabilitatea atomilor in modelul clasic Puterea emisa de o sarcina electrica aflata in miscare accelerata se poate exprima astfel: 4 e v I = (17) 3 3c r Durata de viata a atomului clasic este: 3 K + U R c 10 τ = 10 s (18) I v v
II.3 Proprietatile ondulatorii ale materiei Fizica clasica nu poate descrie atomul si proprietatile acestuia. Compton arata ca fotonii prezinta simultan atat proprietati ondulatorii cat si corpusculare. E=hν si λ=h/p (19) (energia si lungimea de unda a fotonului) de Broglie postuleaza ca particulele materiale au in mod egal atat proprietati corpusculare cat si ondulatorii. Motivul pentru care obiectele macroscopice se manifesta ca obiecte solide este lungimea de unda foarte mica asociata acestra, lucru care face ca proprietatile corpusculare sa fie mult mai importante decat cele ondulatorii. De Broglie postuleaza: = h p λ (0) λ=lungimea de unda atasata unei particule materiale care are impulsul p. Obiectele materiale macroscopice au lungimi de unda de Broglie foarte mici (10-34 m), proprietatile corpusculare ale acestora primand asupra celor ondulatorii. Proprietatile ondulatorii pot fi observate, spre exemplu,, in cazul electronilor care au lungimi de unda de ~10-10 -10-11 m (ex. In experimentele de difractie de electroni). Louis-Victor Victor-Pierre-Raymond, 7th duc de Broglie (189-1987), 1987), fizician francez, laureat al Premiului Nobel, secretar al Academiei de Stiinte Franceze.
II.4 Modelul atomic al lui Bohr pentru atomul de hidrogen (propus de Niels Bohr in 190) Ipotezele generale propuse de Bohr: a) In atom exista orbite electronice stabile pentru care electronii nu radiaza energie cu toate ca efectueaza o miscare accelerata (din punct de vedere al teoriei clasice). Electronii radiaza sau absorb energie doar la trecerea de pe o orbita electronica stabila pe alta orbita stabila. Orbitele electronice stabile corespund unor stari stationare ale atomului. Energia emisa sau absorbita la trecerea dintr-o stare stationara (n) in alta stare stationara (m) este: E = E n E n = hν (1) b) Legile fizicii clasice nu se aplica starilor stationare si nici tranzitiilor dintre acestea. c) In atom. Momentul cinetic al electronului este cuantificat. cuantificarea momentului cinetic al electronului este echivalenta cu conditia de stabilitate a orbitelor electronice (l=nλ unde l=lungimea lungimea orbitei presupusa a fi de forma circulara, λ=lungimea de unda de Broglie asociata electronului si n este un numar intreg). Fig. 14 Conditia de stabilitate a orbitelor electronice in modelul lui Bohr Niels Henrik David Bohr (1885-196), 196), fizician danez care a avut numeroase contributii la fundamentarea teoriei atomice moderne si a mecanicii cuantice, laureat al Premiului Nobel (19).
Momentul cinetic al electronului s poate exprima astfel: a 0 Fig. 15 v = L = mvr = unde e 0 v 4πε mr h = h π nh = n h / mr () Viteza electronului este: (cond.. de cuantificare) (3) n h e (4) => = (5) mr 4πε mr 0 unde a rezulta pentru r n : 0 r n = n a0 4πε h me 0 a 0 poarta denumirea de raza Bohr a 0 =0.53*10-10 m (6) (7) Energia atomului de hidrogen Energiile starilor stationare sunt: sau E n = E 0 /n E 0 = 13.6 ev (9) (8) Fig. 16 Nivelele energetice ale electronului in atomul de hidrogen
Emisia de radiatii electromagnetice (lumina)) se face la trecerea atomului dintr-o stare excitata intr-o stare cu energia mai mica. hν = Eu E (30) l unde n este frecventa fotonului emis 1 ν hν λ = c = hc = (31) R este constanta lui Rydberg R 4 me 3 (4 πh) cε 0 (3) Atomul ramane intr-o stare excitata un interval de timp foarte mic dupa care va trece intr-o stare de energie mai mica prin emisia unui foton. In echilibru, atomul de hidrogen se gaseste in starea fundamentala cu n=1. Johannes Robert Rydberg (1854-1919), 1919), fizician suedez. Fig. 17 Tranzitiile electronice in atomul de hidrogen
II.4.1 Limitele modelului atomic al lui Bohr Modelul atomic al lui Bohr rezolva contradictia dintre structura atomului si fizica clasica, oferind o explicatie pentru stabilitatea atomilor. Modelul atomic al lui Bohr ofera pentru prima data o explicatie stiintifica pentru existenta spectrelor de emisie si absortie atomice. Modelul nu functioneaza in cazul atomului cu mai multi electroni. Modelul atomic al lui Bohr nu poate explica structura spectrala fina a atomilor in prezenta unui camp magnetic. Modelul atomic al lui Bohr nu poate explica formarea legaturilor dintre atomii unei molecule.
II.5 Spectre atomice rigleta cu proiector Fig. 18 Spectre atomice, spectroscopul luneta spectru atomic fanta prisma optica spectroscop Kirchhoff-Bunsen colimator Tub cu descarcare in gaze rarefiate Spectru de emisie sau absortie=multimea radiatiilor emise sau absorbite de o anumita substanta. Prisma optica descompune lumina provenita de la sursa spectrala. Imaginile succesive ale fantei corespunzand diferitelor lungimi de unda reprezinta spectrul emis de substanta (atomii) studiati.
II.5.1 Clasificarea spectrelor Atomii emit spectre de linii. Moleculele emit spectre de banda. Corpurile solide aduse la incandescenta emit un spectru continuu. Fig. 19 Spectrele de emisie pentru atomii de H, Hg si Ne si respectiv spectrul de absortie pentru atomul de H
II.5. Serii spectrale In cazul atomilor hidrogenoizi spectrele de emisie sunt descrise de relatia: ~ 1 1 = = R λ n1 n ν (33) n 1 si n reprezinta nivelele intre care are loc tranzitia (numerele cuantice n ale acestora) iar R este constanta lui Rydberg (R=1.097373 10 10 7 m-1) n 1 defineste seria spectrala iar n linia in spectrul respectiv Fig. 0 Seriile si liniile spectrale ale atomului de hidrogen
II.6 Numere cuantice Modelele atomice actuale difera de modelul atomic al lui Bohr, considerand ca electronii nu graviteaza in jurul nucleului atomic dar ocupa un anumit volum in jurul nucleului si determina astfel formarea unui nor de sarcina negativa. Starea electronilor in atom este descrisa cu ajutorul numerelor cuantice. Numerele cuantice descriu diferitele stari energetice ale electronilor in atom. Sunt patru numere cuantice care descriu starile electronice in atom. Miscarea electronilor pe orbite circulare in jurul nucleului nu mai este luata in considerare si este introdusa notiunea de orbital atomic (molecular). Orbitalii reprezinta regiunea din spatiu unde probabilitatea de a gasi electronii este cea mai mare.
Numarul cuantic principal (n): descrie talia orbitalului atomic, determina in mare parte valoarea energiei orbitalului atomic (ex. n mare => orbital de energie mai mare), poate lua doar valori intregi si pozitive (n = 1,, 3,... ), toti electronii cu acelasi numar cuantic n apartin aceleiasi paturi electronice (ex. K(n=1), L(n=), M(n=3)). Numarul cuantic orbital (l): descrie forma orbitalului atomic, poate lua valori pozitive intre 0 si n-1, toti electronii cu aceleasi numere cuantice n si l apartin aceleiasi subpaturi electronice (ex. s(l=0), p(l=1), d(l=), f(l=3)), orbitalii s au simetrie sferica (l=0), orbitalii p sunt polari (l=1), orbitalii d sunt in forma de trefla (l = ).
Numarul cuantic magnetic (m): descrie orientarea in spatiu a orbitalilor atomici, pot lua valori intregi situate intre l si l, pentru orbitalii s (l=0) avem o singura orientare spatiala posibila, pentru orbitalii p (l=1) avem trei orientari posibile (m=-1, 0, 1 corespunzand orbitalilor p x, p y si p z ), pentru orbitalii d (l=) avem cinci orientari spatiale posibile (m=-, -1, 0, 1, corespinznd orbitalilor ). numarul de valori m dintr-o subpa electronica reprezinta numarul de orbitali atomici ai acelei subpaturi. Fig. 1 Orbitalii s, p si d
Numarul cuantic de spin (m s ): Fig. Orbitalii p si d descrie spinul sau sensul de rotatie al electronului in jurul axei proprii, miscarea de spin determina comportarea electronului ca un mic magnet, numarul cuantic de spin poate lua valorile +1/ si -1/.
II.7 Principiul de excluziune al lui Pauli In atom nu pot exista doi atomi caracterizati prin aceleasi patru numere cuantice n, l, m si m s. sau Intr-un atom, doi electroni cu aceleasi numere cuantice n, l si m vor avea spinii orientati in sens opus. II.8 Configuratia electronica a atomului Repartitia electronilor pe diferiti orbitali atomici reprezinta configuratia electronica a atomului. Reguli care descriu distributia electronica: reguli de constructie (Aufbau principels); Principiul de excluziune al lui Pauli; Regulile lui Hund (un ansamblu de reguli folosite pentru a determina care este starea fundamentala a unui atom multieiectronic). Wolfgang Pauli (1900-1958), 1958), fizician austriac care s-a s remarcat prin teoria spinului electronic, laureat al Premiului Nobel pentru Fizica in 1945.
1) la inceput se completeaza orbitalii cu energie mai mica; ) orbitalii s au energia mai mica decat orbitalii p care la randul lor au energia mai mica decat a orbitalilor d; 3) doi electroni pot ocupa acelasi orbital doar daca au spinii de sens opus (principiul de excluziune al lui Pauli); 4) cei trei orbitali p (p( x, p y, p z et) au aceeasi energie; 5) un orbital este ocupat cu doi electroni doar in cazul in care toti orbitalii de aceeasi energie sunt ocupati cu cate un electron; 6) orbitalii 1s formeaza prima patura, urmata de s, p si apoi de patura 3s, 3p, 3d. Energia creste Fig. 13 Diagrama nivelelor energetice intr-un atom cu mai multi electroni
1. Bifati enunturile corecte: Efectul fotoelectric consta in emisia de electroni de catre un corp iradiat cu radiatii electromagnetice. Efectul fotoelectric apare indiferent de fercventa radiatiilor electromagnetice. Pragul rosu al efectului fotoelectric depinde de natura materialului iradiat si de caracteristicile undelor electromagnetice cu care acesta este iradiat. Energia radiatiilor electromagnetice este cuantificata si depinde direct proportional de lungimea de unda a acestora. Efectul Compton si efectul fotoelectric evidentiaza caracterrul ondulatoriu al radiatiilor electromagnetice. ) Bifaţi i enunţurile urile corecte: Intensitatea curentului fotoelectric de saturaţie creşte liniar cu fluxul radiaţiilor iilor incidente pentru o frecvenţă ă dată a acestora. Efectul fotoelectric se produce pentru orice frecvenţă ă a radiaţiilor iilor incidente. Fotonul este o particulă caracterizată printr-o o masă de repaus,, impuls şi i energie. Fotonul absorbit in efectul fotoelectric serveşte la extragerea electronului din material şi i la imprimarea unuei anumite viteze pentru acesta. Energia cinetică a fotoelectronului creşte odată cu frecvenţa a radiatiilor incidente cu care este iradiat materialul. 4) Conform ipotezei lui de Broglie: Particulele aflate în mişcare au un caracter dual unda corpuscul. Lungimea de undă ataşată particulei depinde liniar de impulsul acesteia. Lungimea de unda atasata particulei depinde invers proportional de impulsul acesteia. Proprietatile ondulatorii pot fi observate pentru orice corp macroscopic. Electronii pot avea şi un caracter ondulatoriu.
4) Modelul atomic al sferei solide propus de Jhon Dalton postuleaza: Atomii aceluiasi element au acceasi masa, dimensiune si proprietati chimice. Diferenta dintre proprietatile diferitelor elemente chimice rezulta din diferentele dintre atomii constituenti. Confirma validitatea in cazul reactiilor chimice a legilor proportiilor definite. Explica existenta nucleului atomic Nu poate explica formarea ionilor dar explica formarea izotopilor. 5) Modelul atomic al lui Thomson cozonac cu stafide : Presupune ca atomul este de forma sferica. Presupune ca atomul contine un numar de electroni intr-un mediu mediu omogen incarcat cu sarcina electrica pozitiva. Considera atomul ca fiind neutru din punct de vedere electric. Nu permite calculul masei atomice dar estimeaza gresit densitatea relativa a nucleului atomic. Anticipeaza existenta nucleului atomic si a neutronilor. 6) Modelul planetar al atomului (Rutherford): Presupune o forma sferica a atomilor. Este bazat pe anumite date experimentale (imprastierea particulelor a pe foite de aur). Presupune existenta neutronilor in nucleul atomic. Descrie corect valoarea sarcinii de valenta a atomilor. Explica caracterul discret al spectrelor atomice.
7) Modelul atomic al lui Bohr: Presupune ca atomul este alcatuit dintr-un nucleu central incarcat cu sarcina electrica pozitiva. Presupune ca atomii se rotesc in jurul nucleului atomic. Considera ca electronii se pot misca pe orice orbita circulara in jurul nucleului. Descrie corect procesul de ionizare al atomilor unielectronici. Asuma pentru electroni un caracter dual unda-corpuscul. 8) Modelul atomic al lui Bohr: Descrie corect atomul de hidrogen. Explica caracterul discret al spectrului de absortie al atomilor hidrogenoizi. Nu poate explica structura planetara a atomului. Cuantifica momentul cinetic al electronilor in atom. Arata ca electronii se pot misca doar pe anumite orbite in jurul nucleului atomic. 9) Principiul de excluziune al lui Pauli: Arata ca doi electroni cu spinul opus pot ocupa acelasi orbital. Arata ca intr-un atom pot exista mai multi atomi caracterizati prin aceleasi numere cuantice n, l, m si m s. Introduce o forta repulsiva intre electronii cu acelasi spin. Introduce o forta atractiva intre electronii cu spin antiparalel. Este un principiu fundamental in mecanica cuantica.
10) Principiul de excluziune al lui Pauli: Sta la baza alcatuirii sistemului periodic al elementelor. Explica diferenta intre proprietatile diferitelor elemente chimice. Guverneaza modul de formare al legaturilor chimice dintre fiferite elemente. Explica structura electronica a atomilor. Este fundamental pentru prcesele chimice din organismele vii. 11) Structura electronica a atomilor multielectronici este descrisa de: Regulile lui Hund. Principiul de excluziune al lui Pauli. Postulatele lui Bohr. Modelul atomic al lui Rutherford. Orbitalii electronici. 1) Structura electronica a atomului: Se refera la modul in care electronii sunt distribuiti in jurul nucleului atomic. Se refera la nivelele energetice din atom ocupte cu electroni. Este descrisa cu ajutorul a patru numere cuantice n, l, m si m s. Este determinata si de principiul de excluziune al lui Pauli. Explica proprietatile chimice ale atomilor.
Probleme: 1) Calculati raza atomului de bor daca densitatea borului εστε ρ Β =.34 g/cm 3. (M B =10.81/g/mol, N A =6.03103 atomi/mol) 1.59 Å 1.3 Å 1. Å 1. Å 1.15 Å ) Care este lungimea de unda de Broglie a unui sportiv cu masa de 70 kg care alearga cu viteza de 6.5 m/s? (h=6.66 10-34 Js). 1.6*10-34 m 1.45*10-34 m.45*10-34 m 1.45*10-34 m 1.55*10-34 m 3) Care este lungimea de unda de Broglie a unui electron ce se deplaseaza cu viteza de 1. 10 6 m/s? (h=6.66 10-34 J s, m e =9.1 10-31 kg). 0.607 nm 0.706 nm 0.78 nm 0.33nm 0.605 nm