Статья: Закон формирования спектров атомов и ионов

Таблица 14. Спектр первого электрона атома бериллия

Пока что математические модели (15) и (16) дали удовлетворительные результаты. Однако это были спектры атомов и ионов первых четырех элементов таблицы Д.И. Менделеева. Это самые простые атомы.

Если электроны действительно прецессируют на ядрах атомов, то при увеличении их количества в атоме они начинают взаимодействовать друг с другом, что не учитывают математические модели (15) и (16). Поскольку процесс прецессирования электрона сопровождается изменением положения его спина , то этот процесс должен сопровождаться поглощением или излучением фотонов. В результате спектральная линия будет расширяться или вместо спектральной линии будут образовываться светлые полосы, что и наблюдается в молекулярных спектрах. Есть основания полагать, что для атомов с большим количеством электронов и для молекул в математических моделях (15), (16) появятся поправочные коэффициенты или тригонометрические функции, которые будут характеризовать прецессию электрона в ячейке атома. Под ячейкой мы понимаем полость конической формы, в основании которой расположен электрон, а вершина направлена к ядру атома (рис. 2).

Возникает вопрос: какую цель можно преследовать, рассчитывая спектры атомов и ионов. Первая цель - получение информации для выявления структуры атома и его ядра.

Вторая цель - расчет энергий связей валентных электронов с ядрами атомов для использования их при анализе энергетического баланса в различных химических реакциях.

Первая цель представляется далекой и, тем не менее, мы сделаем первые шаги к этой цели. Вторая цель ближе к практике и поэтому заслуживает приоритетного внимания. С учетом этого дальше мы будем пытаться рассчитывать спектры валентных электронов.

Таким образом, когда все электроны любого атома находятся в атоме, то, взаимодействуя каждый со своим протоном в ядре, формируют спектры, подобные спектру атома водорода. Но это невозможно доказать прямым экспериментом, а косвенное доказательство существует. Невозможность заключается в том, что зависимости излучения абсолютно черного тела не зависят от материала черного тела, то есть от атома химического элемента, а это значит, что электроны всех атомов имеют, примерно, одинаковые энергии связи с протонами, когда они все находятся в составе своих атомов.

Электроны атома бериллия не совершают орбитального движения в атоме. Каждый из них взаимодействует со своим протоном в ядре, прецессируя на нём в момент поглощения или излучения фотонов.

Мы уже условились называть электрон с наименьшим потенциалом ионизации первым электроном. Именно этот электрон является валентным. Дальше мы увидим, что ядра атомов имеют такую структуру, при которой сразу несколько электронов имеют равные потенциальные возможности быть валентными электронами. Поэтому нумерация электронов в атоме - дело условное. Попытаемся рассчитать спектр электрона атома бора, имеющий наименьший потенциал ионизации. Назовем этот электрон первым.

9. Расчет спектра первого электрона атома бора

Атом бора имеет пять электронов. Электрон, который имеет наименьшую энергию ионизации , назовем первым. Он имеет следующий ряд энергий возбуждения: 4,96; 5,93; 6,79; 6,82; 7,44; 7,46; 7,75; 7,88; 7,92; 7,95; 8,02; 8,03; 8,08; 8,09; 8,13; 8,16; 8,18; 8,20; 8,22; 8,23; 8,24; 8,25; 8,26; 8,27 eV [2]. Достаточно длинный ряд. Обратим внимание на подчеркнутые близкие значения энергий. Это, видимо, дуплеты и триплеты, то есть расщепленные линии. Поэтому расчет должен давать одно из подчеркнутых значений или их средние величины. Посмотрим, так это или нет? Разность энергий . Энергия связи этого электрона с ядром атома, соответствующая первому фиктивному энергетическому уровню, определится по формуле . Подставляя и в формулы (15) и (16), найдем (табл. 15).

Таблица 15. Спектр первого электрона атома бора

Анализируя приведенный экспериментальный ряд энергий возбуждения и результаты его расчета, представленные в таблице 15, видим хорошую сходимость теоретических и экспериментальных данных.

Далее мы не будем пытаться рассчитывать спектры всех электронов, всех атомов, а приведем лишь расчеты спектров тех атомов и тех валентных электронов, которые мы использовали при анализе результатов своих теоретических и экспериментальных исследований.

10. Спектры валентных электронов ряда атомов химических элементов

Углерод имеет шесть электронов. Самым активным валентным электроном является его электрон, имеющий наименьшую энергию ионизации и следующий ряд энергий возбуждения, соответствующих стационарным энергетическим уровням 7,48; 7,68; 7,95; 9,68; 9,71; 9;83; 10,38; 10,39; 10,40; 10,42; 10,43; 10,71; 10,72; 10,73; 10,88; 10,89; 10,98; 10,99; 13,12 eV [2]. Первые три подчеркнутых значения настолько близки, что у нас есть основания полагать, что они принадлежат триплету, поэтому найдем их среднее значение . Тогда разность энергий будет равна , а фиктивная энергия связи с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, будет такой . Подставляя и в формулы (15) и (16), найдем (табл. 16).

Таблица 16. Спектр 1-го электрона атома углерода

Наименьшая энергия ионизации электрона атома кислорода равна = 13,618 eV, а энергия связи этого электрона с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, - =13,752 eV. Назовем этот электрон первым. Расчет энергетических показателей этого электрона по формулам (15) и (16) даёт следующие результаты (табл. 17).

Таблица 17. Спектр первого электрона атома кислорода

Как известно, хлор является 17-м элементом таблицы Менделеева. Потенциал ионизации его 1-го электрона , а энергия связи его с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, . Экспериментальные и теоретические значения энергий поглощаемых и излучаемых фотонов этим электроном, соответствующие разным энергетическим уровням, и энергии связи этого электрона с ядром атома хлора приведены в таблице 18.

Таблица 18. Спектр 1-го электрона атома хлора

Медь - 29 элемент таблицы. Потенциал ионизации его 1-го электрона равен , а энергия связи, соответствующая первому фиктивному энергетическому уровню, . Остальные энергетические показатели этого электрона приведены в таблице 19.

Таблица 19. Спектр 1-го электрона атома меди

Первый электрон атома натрия () также имеет наименьшие энергии связи с ядром, поэтому он является главным валентным электроном этого атома (табл. 20). Энергия ионизации первого электрона атома натрия равна , а энергия связи с ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, - . Подставляя эти результаты в формулы (15) и (16), найдем (табл. 20).

Таблица 20. Спектр 1-го электрона атома натрия

В таблице 20 приведены теоретические (теор.) и экспериментальные (эксп.) значения энергий фотонов, излучаемых или поглощаемых этим электроном, и энергии его связи (теор.) с ядром атома, рассчитанные по формулам (15) и (16). Обращаем внимание на то, что второй энергетический уровень у этого электрона, также как и первый, фиктивный.

Современные теории образования молекул устанавливают лишь значение энергии, необходимой, как в них трактуется, для переноса одного электрона и оценивают ее равной 1,2 - 1,3 eV. Это энергия связи электрона с ядром неизвестного энергетического уровня.

Как видно из нашего анализа, каждый электрон имеет серию энергий связи. Новая теория позволяет рассчитать эти энергии для любого энергетического уровня электрона и определять номер этого уровня, а значит и расстояние между ядром атома и валентным электроном.

Завершая изложение теории формирования спектров атомов и ионов, отметим важные моменты для тех, кто будет продолжать эти исследования. Прежде всего, это лишь начало. Оно базируется на результатах экспериментов. Если результаты эксперимента отличаются от реального спектра того или иного электрона, то резко усложняется процедура поиска энергии . Поскольку величина этой энергии базируется на значении энергии возбуждения, которая стоит первой в ряду всех энергий возбуждения, соответствующих стационарным энергетическим уровням, то точное определение первой энергии возбуждения играет решающую роль. Но существующие справочники по спектроскопии не отвечают этому требованию. Возьмем, например, энергии возбуждения, соответствующие стационарным энергетическим уровням второго электрона атома углерода.

В справочнике Стриганов А.Р., Одинцова Г.А. Таблицы спектральных линий. М.: Наука. 1977 содержится следующий ряд этих энергий [2]: 5,33; 9,29; 11,96; 13,71; 13,72; 14,45; 18,04; 19,49; 20,84; 21,49; 22,13; 22,47; 22,57; 22,82; 23,38; 26,58 eV. В справочнике Зайдель А.Н. и др. Таблицы спектральных линий. М. Наука.1977 этот ряд имеет такие значения [3]: 9,30; 11,96; 13,72; 14,46; 16,32; 17,62; 18,04; 18,06; 18,66; 19,49; 20,14; 20,84; 20,91; 20,95;22,13; 22,54; 22,56; 22,90; 23,11; 24,27; 24,37; 24,59; 24,64; 25,98; 27,41; 27,47; 27,48 eV.

Подчеркнутые значения энергий совпадают в обоих справочниках, а не подчеркнутые - не совпадают. Как видно, не так легко найти энергию, которая соответствует первому уровню возбуждения. Задача эта, видимо, должна решаться путем увеличения количества справочников, привлекаемых для анализа, и разработке специальной компьютерной программы, которая обеспечивала бы решение поставленной задачи. Если встретятся такие ряды энергий, которые не подчиняются закону (15), то это будет означать, что ячейка такого электрона занимает нестандартное положение в атоме. Не исключено, что в ряде случаев придется повторить эксперименты для более точного определения первого потенциала возбуждения.