Dərslik respublikanın universitetlərinin fizika fakültələrinin tələbələri üçün "Atom fizikası"
Ё106. Atomlarda elektronların müxtəlif hallarına
Download 18.1 Mb. Pdf ko'rish
|
Ё106. Atomlarda elektronların müxtəlif hallarına uyğun elektron buludları Məlumdur ki, mərkəzi sahə yaxınlaşmasında atomda hər bir elektronun halı atom spin-orbitalı adlanan dalğa funksiyası ilə təsvir olunur (Ё105). Atom spin-orbitalının (105.24) ifadəsinə dörd kvant ədədi daxildir və ona görə də belə demək olar ki, elektronun atom daxilində halı bu kvant ədədləri ilə xarakterizə olunur, yəni həmin kvant ədədləri atomda elektronun özünü necə aparmasını xarakterizə edir. Ona görə də atomlarda elektronların hallarını təsvir etmək üçün onların kvant ədədlərindən istifadə olunur. Belə ki, mərkəzi sahə yaxınlaşmasında atomda elektronların halları ümumi şəkildə nl
kimi işarə edilir.Bu zaman n baş və m maqnit kvant ədədləri rəqəmlə, l orbital kvant ədədi isə latın əlifbasının kiçik hərfləri ilə aşağıdakı kimi göstərilir (Ё99):
Məsələn, n=2 olduqda l=0, m l =0 halı 2s 0 , l=1, m l =1,0,-1 halları isə, uyğun olaraq, 2p 1 ,
0 , 2p -1 kimi işarə olunur. s hallar üçün l=0 və ona görə də həmişə m l =0 olduğundan bu halları işarə edərkən maqnit kvant ədədinin qiymətini yazmırlar: 1s,2s,3s,4s və s. Çox zaman atomlarda elektronların hallarını (və deməli, atom orbitallarını) işarə etmək üçün 2p
,2p y ,2p z ,3d xy ,3d xz və s. kimi simvollardan istifadə edilir. Bu işarələmənin mahiyyəti (98.37) və (76.23) ifadələrinə əsasən aydın olur. Belə ki, (76.23)-ə əsasən
= ϕ θ cos
sin ,
y = ϕ θ sin
sin ,
(106.1) r z = θ cos
701 ifadələrini (98.37)-də nəzərə almaqla bucaqdan asılı hissəsi S 00 ( θ , ϕ ) funksiyası olan atom orbitalı ns kimi, bucaqdan asılı hissəsi S 11 (
, ϕ ) funksiyası olan atom orbitalı np x kimi və s. işarə olunur. Burada n– uyğun baş kvant ədədidir, yəni məsələn, 1p-,1d - -,2d-,3f- və s. orbitallar ola bilməz. Deməli, atom orbitallarının işarələnməsi üçün yuxarıda göstərilən simvollar əslində l və m l kvant ədədlərinin qiyməti ilə təyin olunur. s-, p-, d- və f-hallar üçün bu cür işarələmə qaydası 106.1 cədvəlində verilmişdir.
Cədvəl 106.1 l m l AO işarəsi l m l AO işarəsi 0 0
3 3
( )
y x nf ⋅ − 2 2 3 1 1
np x 3 2
( )
y x nf ⋅ − 2 2
1 -1 np y 3 1
( ) x z nf ⋅ −1 2
1 0 np z 3 0
( ) z z nf ⋅ −1 2
2 2 2 2
x nd −
3 -1 ( )
y z nf ⋅ −1 2
2 1 nd xz 3 -2
nf xyz 2 -1
nd yz 3 -3
( )
y x nf ⋅ − 2 2 3 2 2
nd xy
Bor-Zommerfeld nəzəriyyəsinə görə elektron mərkəzi sahədə tamamilə müəyyən orbitlər üzrə hərəkət edir. Kvant mexanikası təsəvvürlərinə görə isə elektronun trayektoriyası anlayışı öz mənasını itirir və elektron atom daxilində istənilən nöqtədə ola bilər. Lakin elektronun müxtəlif oblastlarda olması ehtimalı müxtəlifdir. Müəyyən t zaman anında elektronun dV həcm elementində olması ehtimalı onun halını təsvir edən dalğa funksiyasının modulunun kvadratı ilə təyin olunur (Ё72). Bu, dalğa funksiyasının ehtimal şəklində interpretasiyası adlanır. Bir çox hallarda isə dalğa funksiyasının digər, yəni elektron buludu şəklində interpretasiyasından istifadə edilməsi əyanilik baxımından daha əlverişli olur. Fərz edək ki, atom daxilində hərəkət edən elektronun vəziyyətini müəyyən zaman anında dəqiq təyin edərək üçölçülü fəzada bir nöqtə ilə qeyd etmək mümkündür. Bu ölçməni çoxlu sayda aparsaq, nüvənin ətrafında nöqtələr çoxluğu alarıq; elə bil ki, elektron nüvənin ətrafında bulud kimi paylanmışdır (yayılmışdır). Elektron buludu anlayışı da məhz bununla əlaqədar olaraq meydana çıxır. Elektron buludunun sıxlığı hər yerdə eyni deyildir. Belə ki, elektron bəzi yerlərdə tez-tez, bəzi yerlərdə isə seyrək (gec- gec) olur. Ona görə də aydındır ki, hər bir həcm elementində elektron buludunun sıxlığı elektronun həmin həcm elementində olması ehtimalı, yəni atom orbitalının modulunun kvadratı ( ) 2 , , ϕ θ
u l nlm ilə təyin olunacaqdır: dV u dW l l nlm nlm 2 ~ .
(106.2) Burada dV=r 2
θ
θ
ϕ –sferik koordinatlarda (Ё76) həcm elementidir. Qeyd edək ki, dalğa funksiyasının elektron buludu şəklində interpretasiyası onun ehtimal şəklində interpretasiyasına nisbətən daha az ciddidiir. Lakin elektron buludu
702
anlayışı atom və molekulların bir sıra mühüm xassələrini, kimyəvi rabitələrin yaranması mexanizmini və s. əyani şəkildə izah etməyə imkan verir. Elektron buludunun paylanmasını qrafik təsvir etmək üçün müxtəlif üsullar vardır. Biz əvvəlcə elektron buludunun radial paylanmasını, yəni elektron buludunun sıxlığının atomun nüvəsindən olan r məsafəsindən asılılığını nəzərdən keçirək. Bu məqsədlə (105.17), (105.18), (84.34) və (98.35) ifadələrini nəzərə almaqla (106.2) bərabərliyini θ və ϕ sferik bucaqları üzrə inteqrallayaq. Onda yalnız r məsafəsindən asılılıq qalır ki, bu asılılıq da R
(r) funksiyası ilə təyin olunur: ( )
dr r r R r dW r dW nl nlm nl l 2 2 0 2 0 , , ) ( = = ∫ ∫ π π
ϕ θ . (106.3) Buradan elektron buludunun radial sıxlığı üçün ( )
( ) ( )
[ ] 2 2 r r R dr r dW r nl nl nl = = ρ
(106.4) ifadəsini alırıq. (106.4)-dən görünür ki, elektron buludunun sıxlığının radial paylanması qrafiklərini (bu qrafiklər adətən radial paylanma əyriləri adlanır) qurmaq üçün atom orbitalarının R nl (r) radial hissəsinin aşkar ifadəsi məlum olmalıdır. Bu isə yalnız hidrogenəbənzər atomlar üçün məlumdur /bax: (98.24) və (81.16)/. Ona görə də yalnız hidrogenəbənzər atomlar üçün (106.4) funksiyasının qrafiklərini müxtəlif hallar üçün (98.27) ifadələrinə əsasən qurmaq olar. Hidrogen atomunun bəzi halları üçün radial paylanma əyriləri 98.2 şəklində verilmişdir. Bu qrafiklərdən görünür ki, n baş kvant ədədi böyüdükcə atom orbitalına uyğun olan elektron buludunun ölçüsü də böyük olur. 0 ≤r≤∞ intervalında hidrogenəbənzər atomlar üçün R
(r) radial funksiyasının n-l-1 sayda düyün nöqtəsi (sıfra bərabər olan qiymətlərin sayı) vardır. s–orbitallar üçün düyün nöqtəsi yoxdur, yəni atomun nüvəsində (r=0) də s–orbitalların radial hissəsi sıfırdan fərqlidir. Bu mühüm faktın maqnit rezonansı hadisəsi kimi müşahidə olunan nüvə və elektronlar arasında spin- spin qarşılıqlı təsirinə baxılarkən nəzərə alınması çox vacibdir. Bundan başqa 98.2 qrafiklərindən görünür ki, n baş kvant ədədinin eyni qiymətinə uyğun olan hallar arasında
daha böyük olur və həm də l-in kiçik qiymətlərində elektron buludunun baş maksimumu nüvədən daha uzaqda yerləşir. Elektron buludunun formasını əsasən (105.18) həqiqi atom orbitalının bucaqlardan asılı hissəsi olan ( )
ϕ θ , l lm S sferik funksiyası təyin edir. Belə ki, elektron buludunun sıxlığının bucaqlardan asılı olaraq paylanmasını müəyyən etmək üçün (106.2) ifadəsini r üzrə inteqrallamaq lazımdır: ( ) (
( ) [ ] Ω = = ∫ ∞
S r dW dW l l l lm nlm lm 2 0 , , , , ϕ θ ϕ θ ϕ θ . (106.5) Burada d Ω=sin
θ d θ
ϕ cisim bucağı elementidir. Onda elektron buludunun bucaq sıxlığı üçün ( )
( ) ( )
[ 2 , , , ϕ θ ϕ θ ϕ θ ρ l l l lm lm lm S d dW = Ω = ]
(106.6)
703 ifadəsini alırıq. Deməli, elektron buludunun bucaq sıxlığı (105.17) atom orbitalının sferik bucaqlardan asılı olan hissəsinin, yəni ( ) ϕ
, l lm S həqiqi sferik funksiyasının kvadratı ilə təyin olunur. Elektron buludunun bucaq sıxlığının paylanmasını qrafik təsvir etmək üçün polyar diaqramlar üsulundan istifadə olunur. Polyar diaqramları qurmaq üçün atomun nüvəsində yerləşən koordinat başlanğıcından bütün istiqamətlərdə ( ) [
2 , ϕ θ l lm S funksiyasının qiyməti ilə mütənasib olan düz xətt parçaları keçirirlər. Bu düz xətt parçalarının ucları müəyyən səth əmələ gətirir ki, bu səthin də forması uyğun elektron buludunun formasını göstərir. Qeyd edək ki, ( )
ϕ θ , l lm S funksiyasını R nl (r) radial funksiyasına vurmaqla polyar diaqramın qurulması elektron buludunun formasını dəyişmir, yalnız onun həndəsi ölçülərinə təsir edir. Müxtəlif hallar üçün polyar diaqramların qurulmasına baxaq: 1s halında n=1, l=0, m l =0 olduğundan ( )
= = π ϕ θ 4 1 , 00 alırıq. Deməli, 1s halında polyar diaqram və deməli, elektron buludu radiusu ( )
[ ] π ϕ θ 4 1 , 2 00 =
olan sfera şəklində olacaqdır. Bu sferanın daxilində və xaricində də elektron buludu vardır. Özü də nüvədən sferanın səthinə doğru getdikcə elektron buludunun sıxlığı artır və sferanın kənarda isə bu sıxlıq tədricən azalır (bax: şəkil 98.2). 2s halı üçün n=2, l=0, m
=0 olduğundan yuxarıdakı mülahizələrə əsasən polyar diaqram, yəni elektron buludu yenə də sfera şəklində olmalıdır. Lakin bu sferanın radiusu 1s haldakından böyükdür. Eyni qayda ilə göstərmək olar ki, bütün ns hallarda elektron buludu sfera şəklindədir və n baş kvant ədədinin böyük qiymətləri üçün bu sferanın radiusu da böyük olur. 2p x halı üçün n=2, l=1, m l =1 olduğundan ( )
π ϕ θ π ϕ θ 4 3 cos sin
4 3 , 11 = = alınır ki, bu funksiya vasitəsilə qurulan polyar diaqram nüvədə yerləşən 0 koordinat başlanğıcına nəzərən simmetrik olmaqla 0
koordinat oxu boyunca yönəlmiş qantel (sferik səkkiz) formasında olur. 2p
- və 2p z -hallara uyğun elektron buludları isə, uyğun olaraq, 0
və 0 z koordinat oxları boyunca yönəlmiş qantel formasında alınır. 2p x -, 2p y - və
2p z - atom orbitalları üçün düyün müstəviləri, uyğun olaraq zoy, zox zoy-dir, yəni bu müstəvini keçdikdə atom orbitalının işarəsi dəyişir. Elektron buludlarının fəzada yönəlməsi və atom orbitallarının işarəsi valentlik nəzəriyyəsində mühüm rol oynayır. Analoji üsulla d- və f-atom orbitallarına uyğun olan elektron buludlarının formasını tapmaq olar. Lakin bu elektron buludları kifayət qədər mürəkkəb formaya malikdir və onların fəza təsvirinin verilməsi xeyli çətindir. Məsələn, beş dənə d-orbitaldan dördünə ( -dan başqa) uyğun gələn elektron buludları kvadratın künclərinə doğru yönəlmiş armud şəkilli "ləçək"lər (dördləçəkli gül) formasındadır (burada fəza paylanmasından söhbət getdiyi üçün "ləçək" anlayışı uğurlu deyildirsə də, əyani təsəvvür yarada bilir). –orbitalına uyğun gələn elektron buludu isə z–oxu boyunca yönəlmiş və ortası həlqə şəkilli kəmərlə əhatə olunmuş qantel formasındadır. 2
2
d
704 106.1 şəklində s–,p–,d– və f–hallar üçün elektron buludunun forması verilmişdir. Bu şəkli 106.1 cədvəli ilə müqayisə etmək məsləhət görülür. Atom orbitallarını və onlara uyğun elektron buludlarını təsvir etmək üçün bir sıra üsullar vardır. Lakin təqribi olsa da, elektron buludunun formasını atom orbitalının bucaqdan asılı hissəsi ilə göstərmək əlverişlidir.
Üç dənə p–orbitallar fəzada yalnız yönəlməsi ilə bir-birindən fərqləndiyi üçün fiziki mülahizələrə əsasən aydındır ki, bu orbitallarla təsvir olunan halların enerjisi eyni olmalıdır. Bu həm də belə bir faktdan aydın olur ki, mərkəzi sahədə hərəkət edən elektronun enerjisi m
kvant ədədindən asılı deyildir /(105.19) radial tənliyinə m l kvant
ədədi daxil deyil/. Lakin d–orbitallar haqqında ilk baxışdan bunu demək olmur. Belə ki, –orbital digər dörd dənə d–orbitallardan fərqləndiyi üçün beş dənə d–orbitalın da əslində bir-birinə ekvivalent olması dərhal görünmür. Ekvivalentlik dedikdə elektron üçün aparılan ixtiyari ölçmənin elektronun məhz hansı d–orbitalda yerləşməsindən asılı olmaması başa düşülür (bu zaman koordinat oxlarının üçünün də fəzada bir-birinə ekvivalent olması, yəni üstün istiqamətin olmaması şərti ödənməlidir). Qeyd edək ki, d– orbitallar bir-birindən yalnız zahirən fərqlənirlər və onların beşi də bir-birinə ekvivalentdir. Doğrudan da, –orbital da digər dörd orbitalın forması kimi formaya malik olan, lakin bir-birindən xətti asılı olan iki dənə – və – orbitalın xətti kombinasiyası kimi göstərilə bilər. Çünki z 2
d 2
d 2 2 x z d − 2 2 y z d − 2 -x 2 +z 2 -y 2 =3z 2 -r 2 funksiyasının da bucaq hissəsi –orbitalın bucaq hissəsi kimidir. 2
Yuxarıda qeyd edildiyi kimi, dalğa funksiyası fəzanın bir hissəsində müsbət, digər hissəsində isə mənfi işarəli ola bilər (məsələn, p
–orbital x oxu üzrə koordinat
705
başlanğıcından sol tərəfdə mənfi, sağ tərəfdə isə müsbət işarəli funksiyadır). Lakin elektronun müşahidə olunan xassələri ( )
θ , , r u l nlm funksiyasından deyil, onun kvadratına bərabər və həmişə müsbət işarəli olan [ ( ) ϕ θ , ,
u l nlm ] 2 /daha ümumi şəkildə ( ) ( ) ϕ θ ϕ θ , ,
, ,
u r u l l nlm nlm ∗ / funksiyasından asılıdır. Bəs onda dalğa funksiyasının işarəsinin rolu nədən ibarətdir və ümumiyyətlə o, vacibdirmi? Bu suala cavab vermək üçün işıq dalğasının amplitudu ilə analogiyadan istifadə etmək məqsədə uyğundur. İşıq dalğasının da amplitudu müsbət və ya mənfi işarəli ola bilər. Lakin iki işıq dalğasının yalnız interferensiyası zamanı amplitudun işarəsi mühüm rol oynayır. Belə ki, interferensiya zamanı iki işıq dalğasının bir-birini gücləndirməsi və ya zəiflətməsi onların amplitudlarının işarəsindən asılı olur. Buna oxşar olaraq da, kimyəvi rabitənin nəzəriyyəsindən məlum olduğu kimi, hər bir atom orbitalının ayrılıqda işarəsi deyil, bir- birini örtən atom orbitallarının işarələrinin məhz nisbəti mühüm rol oynayır. Nəhayət, bir məsələni də qeyd edək ki, çoxelektronlu atomlar üçün mərkəzi sahə yaxınlaşmasında meydana çıxan n, l və m l kvant ədədləri atom daxilində elektronun fiziki parametrlərini və elektron buludunun həndəsi xüsusiyyətlərini müəyyən edirlər. Məhz buna görə də bu kvant ədədlərinin hər birini ayrıca nəzərdən keçirək. Əvvəlcədən qeyd edək ki, n, l və m
kvant ədədlərinin bir-birindən asılı olaraq aldığı qiymətlər hidrogenəbənzər atomlarda olduğu kimidir (Ё98). Baş kvant ədədi. Hidrogenəbənzər atomlarda elektronun enerjisi yalnız n kvant ədədi ilə təyin olunur və ona görə də n baş kvant ədədi adlanır. Çoxelektronlu atomlarda isə elektron təkcə nüvənin deyil, həm də digər elektronların yaratdığı sahədə hərəkət edir. Bunun nəticəsində isə elektronun enerjisi həm də l orbital kvant ədədindən asılı olur. Belə ki, n baş kvant ədədinin verilmiş qiymətində l orbital kvant ədədinin mümkün olan müxtəlif qiymətlərinə (l=0,1,2,…,n-1) elektronun müxtəlif enerjisi uyğun gəlir. Məhz buna görə də deyirlər ki, çoxelektronlu atomlarda, hidrogenəbənzər atomlardan fərqli olaraq, hər bir elektronun enerjisi n və l kvant ədələrindən asılıdır. Deməli, mərkəzi sahə yaxınlaşmasında çoxelektronlu atomların enerji səviyyələri E
kimi işarə edilməlidir, yəni E 1s , E 2s , E 2p , E 3s , E 3p , E 3d və s.
Kvant mexanikası təsəvvürlərinə görə elektron atom daxilində nüvədən ixtiyari məsafədə yerləşə bilər. Ona görə də atomda elektron buludunun (106.4) ilə təyin olunan ρ
(r) radial paylanma sıxlığını bilərək elektronun nüvədən olan r or orta məsafəsini hesablamaq olar: ( )
( ) [ ] ∫ ∫ ∞ ∞ = = 0 3 2 0
r r R rdr r r nl nl op ρ . (106.7) r or kəmiyyəti atom orbitalının, yəni elektron buludunun ölçülərini xarakterizə edir. Hidrogenəbənzər atomlar üçün R
(r) funksiyasının aşkar ifadəsi məlum olduğundan (106.7) inteqralını hesablamaq mümkündür və bu hesablama nəticəsində r
üçün (98.65) ifadəsi alınır. Həmin ifadədən göründüyü kimi r
kəmiyyəti n 2 ilə mütənasibdir. Deməli, n baş kvant ədədi elektronun enerjisindən başqa, həm də atom orbitalının (elektron buludunun) ölçüsünü təyin edir, yəni baş kvant ədədi böyük olan elektron üçün atom orbitalının ölçüləri də böyük olur. Orbital kvant ədədi. l kvant ədədi nüvə ətrafında orbital hərəkət zamanı elektronun impuls momentini (84.36) düsturu ilə təyin etdiyindən orbital kvant ədədi adlanır. Orbital kvant ədədi elektronun impuls momentindən başqa, həm də elektron buludunun formasını
706
müəyyən edir. Belə ki, elektron buludu l=0 olduqda sfera, l=1 olduqda qantel, l=2 olduqda dördləçəkli gül formasında olur. Maqnit kvant ədədi. Məlumdur ki, impuls momenti vektorial kəmiyyətdir. Atomda elektronun orbital impuls momenti (84.36) düsturuna əsasən diskret qiymətlər aldığından onun fəzada istiqaməti də ixtiyari ola bilməz. Başqa sözlə, elektronun orbital impuls momenti müəyyən seçilmiş istiqamətlərdə yönələ bilər. Digər tərəfdən elektronun orbital impuls momentinin yalnız bir ox üzrə proyeksiyası dəqiq təyin oluna bilər. Digər proyeksiyaların tapılması qeyri-müəyyənlik münasibətlərinə görə mümkün deyildir (Ё77). Atom fizikasında adətən üstün istiqamət olaraq xarici maqnit sahəsinin istiqaməti götürülür və z oxunu bu istiqamətdə yönəldirlər. m l kvant ədədi elektronun orbital impuls momentinin xarici maqnit sahəsinin istiqaməti (üstün istiqamət) üzrə proyeksiyasını (84.6) ifadəsi ilə təyin etdiyindən maqnit kvant ədədi adlanır. Maqnit kvant ədədi m
elektronun orbital impuls momentinin üstün istiqamət üzrə proyeksiyasından başqa həm də atom orbitalının (elektron buludunun) fəzada yönəlməsini müəyyən edir. Belə ki, məsələn, l=1 olduqda m l =1 qiymətində qantel 0 x , m l =-1
qiymətində 0 y və m l =0 qiymətində isə 0 z oxu boyunca yönəlmiş olur. Spin kvant ədədi. Spin kvant ədədi m
elektronun spininin üstün istiqamət üzrə proyeksiyasını ( )
s z s m M h = düsturu ilə təyin edir.
Download 18.1 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: |
ma'muriyatiga murojaat qiling