introduction to electron configuration

26
ใช ชสสหร รบ สร ศก ษสสวนบ คคล ตสมท ทผชผเ ขทยน นผชผเยแพรสเทส นร 3-1 บทที3: ทฤษฎีควอนตัม และการจัดเรียงอิเล็กตรอน บทที3: ทฤษฎีควอนตัม และการจัดเรียงอิเล็กตรอน 3.1: วัตถุดำา และควอนตัม ในช่วงคริสตศตวรรษที19 และ 20 การศึกษาการแผ่รังสีในวัตถุต่างๆ ทำาให้เรารู้ว่าสสารต่างๆ มีการแผ่รังสีในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาอยู่ตลอดเวลา นักฟิสิกส์มีความสนใจอย่างมากในสสารทีเรียกว่า วัตถุดำ (black body) เพราะ วัตถุดำเป็นวัตถุที่สำมำรถดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ำได้ใน ทุกๆ ช่วงควำมถี่ นอกจำกนี้กำรแผ่รังสีของวัตถุดำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่ำนั้น คือมีปัจจัยอื่นมา เกี่ยวข้องน้อยมากๆ นั่นเอง การศึกษาทำาในลักษณะต่อไปนี้ นักฟิสิกส์ได้ให้ความร้อนกับวัตถุดำา (วัตถุดำาจริงๆ เป็นวัตถุใน อุดมคติ การจำาลองสภาพวัตถุดำาทำาได้ดังภาพ : การนึกภาพตาม คิดเสียว่าวัตถุดำานั้น เป็นแท่งเหล็กสีดำา จะช่วยให้คิดตามได้ง่ายขึ้น) แล้วทำาการวิเคราะห์รังสีที่แผ่ออกมา ผลการวิเคราะห์แสดงให้เห็นดังกราฟ เห็นว่าที่แต่ละอุณหภูมิ จะมีความยาวคลื่น ค่าหนึ่งที่มีความเข้มสูงที่สุด (ใช้สัญลักษณ์ λ max ) และยิ่งอุณหภูมิของวัตถุดำสูงขึ้นเท่ำใด λ max ก็จะ ลดลงตำมไปด้วย เมื่อลอร์ดเรย์ลี (John William Strutt, 3 rd Baron Rayleigh: 1842 – 1919) และเซอร์เจมส์ จีน (Sir James Hopwood Jeans: 1877 – 1946) ได้ พยำยำมอธิบำยโดยใช้หลักดั้งเดิม ว่าอนุภาค วัตถุดำาดูดกลืนและแผ่คลื่นที่มีพลังงานเท่าใดก็ได้ แล้วแต่จะใส่ให้ ผลกำรวิเครำะห์จำกวิธีกำรนี้ใหผลใกล้เคียงกับควำมจริงแค่ช่วงควำมยำวคลื่น สูงเท่ำนั้น ภาพจำาลองโมเลกุลในเอกสารนี้สร้างขึ้นโดยอาศัยชุดซอฟต์แวร์ Marvin 5.5.0 และ JChem 5.5.0 พัฒนาโดย Chemaxon (http://www.chemaxon.com) ปี 2011 ภาพที3.1: การจำาลองวัตถุดำา (ซ้าย), กราฟแสดงการแผ่รังสีของวัตถุดำา (ขวา) ภาพที3.2: กราฟเปรียบเทียบพฤติกรรมจริงของวัตถุดำากับการ ทำานายผลในยุคแรก

Upload: pratch-hemapanpairo

Post on 17-Nov-2015

15 views

Category:

Documents


4 download

DESCRIPTION

Introductory chapter to electron configuration for Thai secondary school students.

TRANSCRIPT

  • 3-1 3:

    3: 3.1:

    19 20 (black body)

    ( : )

    ( max) max

    (John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh: 1842 1919) (Sir James Hopwood Jeans: 1877 1946)

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

    3.1: (), ()

    3.2:

  • 3.1: 3-2

    UV (UV catastrophe)

    (Max Planck:1858 1947)

    E = hc (3.1)

    E = n hc (3.2): E

    h (Plancks constant) = 6.6260710-34 Jsc = 2.99792108 m/s n (n )

    (quantum, (pl.) quanta)

    3.1:

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3-3 3.2:

    3.2:

    1. (amplitude)

    2. (wavelength: ) 1 ()

    3. (frequency: f: ) 1

    4. (period: T) 1 ( T = 1f )

    (speed of wave: v: u)

    u = f (3.3)

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

    3.3:

  • 3.2: 3-4

    (electromagnetic wave)

    (3.3) (3.3)

    c = (3.4)

    3.2:

    380 nm 750 nm

    3.3:

    ( E = hc ) ()

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

    3.4: (: sob.nao-rozhen.org)

  • 3-5 3.3: (photoelectric)

    3.3: (photoelectric)

    (photoelectron) (threshold frequency)

    (Albert Einstein: 1879 1955) h (photon)

    E = h = hc (3.5)

    3.1:

    1.

    = 5.0010-2 nm

    = 1000 nm

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3.3: (photoelectric) 3-6

    = 7.500103

    = 98.5 MHz

    = 2.0 THz

    2.

    6.62610-16 J

    2.65210-19 J

    320 aJ

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3-7 3.3: (photoelectric)

    (work function: W)

    W = h 0 (3.6)

    : 0

    (kinetic energy: KE)

    h = W KE (3.7)

    3.2:

    1. 581 nm 1000 m/s

    2. 6.9310-19 J 2.50 PHz

    3. 3.66 eV 1000 V

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3.4: 3-8

    3.4:

    (continuous spectrum)

    (line spectrum)

    ...

    1. (emission line spectrum)

    2. (absorption line spectrum)

    *** ( 3.5)

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

    3.5:

    3.6: H2

    3.7: H2

  • 3-9 3.4:

    (Niels Bohr: 1885 1962) ...

    1. () (ground state)

    2. (excited state)

    3.

    (angular momentum: L)

    L = mvr = n (3.8)

    : = h2m v r n

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

    3.8:

    3.9:

  • 3.4: 3-10

    K L, M, N 1, 2, 3,

    Z

    0 = 8.854101012 C2

    Nm2

    e

    : F = 140

    q1 q2

    r 2

    : F = 140Zee

    r 2

    = 140Ze

    2

    r 2(3.9)

    F

    F = mv2

    r

    : 140

    Ze2

    r 2= mv

    2

    r1

    80Ze

    2

    r =12

    mv2 = KE (3.10)

    : PE = 140

    q1 q2

    r

    : PE = 140Zee

    r

    = 140Ze

    2

    r

    : E = KE + PE

    : E = 180

    Ze2

    r 1

    40Ze

    2

    r

    E = Ze2

    80 r (3.11)

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3-11 3.4:

    (3.8) : v = nmr v (3.10): 1

    80Ze

    2

    r= 1

    2m nmr

    2

    rn =0 n

    2 h2

    Zme2 (3.12)

    r n ( ) (3.12) ( Z 1 )

    rn = n2(0.53 ) (3.13)

    (3.12) r r

    rn (3.11): En = Ze

    2

    80 0 n2 h2Zme2 =

    Z2 me4

    8 02 h2 n2

    (3.14)

    (7)

    En = 13.6057

    n2eV

    = 2.179871018

    n2J

    (3.15)

    E = E fE i (3.16)

    : E E < 0: E > 0:

    Ef Ei

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3.4: 3-12

    E =hc

    hc =

    E fE i

    = 2.179871018n f2 J 2.179871018

    n i2 J

    = 2.179871018 J 1n i2 1n f2

    1 =

    2.179871018 Jhc

    1n i2 1n f2 = 1.0973710

    7 m1 1n i2 1n f2 1.09737107 m-1 (Rydberg constant: RH: R)

    1 = R 1n i2 1nf2 (3.17)

    3.3:

    1. n = 5 n = 2

    2. n = 1

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3-13 3.4:

    3. (Balmer series) n = 2

    3.5:

    1. L = n

    2.

    (Louis de Broglie:1892 1924)

    1mv = h

    mv (3.18)

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3.5: 3-14

    3.4:

    0.20 kg 180 km/h

    (standing wave)

    ( 1) / 2

    ( 2) 2 / 2

    ( 3) 3 / 2

    / 7 3 / 5

    () , 2, 3, 4, ( /2, 3/2, 5/2, 7/2 )

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

    3.10:

  • 3-15 3.5:

    ()

    2r = n

    (3.18): 2r = n hmv mvr = n h2

    = n

    3.6:

    (Werner Heisenberg: 1901 1976)

    xp h4 (3.19)

    : x p

    p = mv = mv

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

    3.11:

  • 3.6: 3-16

    1926 (Erwin Scrdinger: 1887 1961) (Scrdinger equation) ()

    ( psi) (wave function) (atomic orbital)

    (2) ( )

    (quantum number) 3

    1. (principal quantum number: n) (1, 2, 3, 4, 5, ...)

    2. (angular momentum quantumnumber: ) 0 n1 n=5 0, 1, 2, 3, 4

    0 s sharp1 p principal2 d diffuse3 f fundamental4 g

    f5 h

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3-17 3.6:

    n=2 =1 2p

    3. (magnetic quantum number: m) (suborbital) =3 7 m -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

    (spin) 2

    4. (spin quantum number: ms) 2 12

    12

    n m 1 0 0 1 1s

    20 0 1 2s1 -1, 0, 1 3 2px, 2py, 2pz 2p

    3

    0 0 1 3s1 -1, 0, 1 3 3px, 3py, 3pz 3p

    2 -2, -1, 0, 1, 2 5 3dxy , 3dyz , 3dxz , 3dx 2y2 , 3dz2 3d

    (n,,m,ms) (2,0,0, 12 )

    2s 12 2 (Pauli

    exclusion principle) 4 1s 12 (1,0,0,

    12 )

    12

    4 12

    (1,0,0, 12 )

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3.6: 3-18

    3.4:

    1. 3d

    (electron cloud)

    90

    s, p d

    s: n 1s 2s 3s

    p: 2 () x, y z (px x, py y, pz z)

    d: 4 3dxy , 3dyz , 3dxz 4 2 3dx 2y2 x y 3dz2 z

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3-19 3.6:

    1s 2s 3s

    2p (: 2px, 2py, 2pz)

    3d ( 3dxy , 3dxz , 3dyz , 3dx 2y2 , 3dz2 )

    3.12: s, p d

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3.7: (electron configuration) 3-20

    3.7: (electron configuration)

    (orbital diagram)

    1s 1s 1

    2p 2p 3

    1s1 1s 1 ( ( ) )

    1s2 1s 2 ( ( )

    )

    2p4 2p 4

    n

    1s 2s=2p 3s=3p=3d 4s=4p=4d=4f ...

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

    3.13:

  • 3-21 3.7: (electron configuration)

    1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p

    2px=2py=2pz 2p1

    2p2

    2p2

    2p2

    (Frederick Hund: 1896 1997)

    (Hunds rule) 2p 2 2p

    2p1

    2p2

    2p3

    2p4

    2p5

    2p6

    ( O816 )

    O1s2

    2s2

    2p4

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

    3.14:

    3.15:

  • 3.7: (electron configuration) 3-22

    3.5:

    20

    20 (Z=92) 1s22s22p4

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3-23 3.7: (electron configuration)

    3.6:

    20

    Li 1s2 He Na 1s22s22p6 Ne K 1s22s22p63s23p6 Ar

    () (noble gas core)

    O [He]2s22p4

    Mg [Ne]3s2 Ar [Ne]3s23p6

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3.7: (electron configuration) 3-24

    1 2 s s 13 18 p p 3 12 d d ()

    f f

    (full-filled)

    3d10

    (half-filled)

    3d5

    () 5

    1. 2. 3. 4. 5.

    1 2 (ionization)

    5

    3 4

    3d 4s Cr Cu

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3-25 3.7: (electron configuration)

    3.5:

    Cr Cu ( [Ar] )

    3d 4s 3d half-filled full-filled 4s

    Pd ([Kr]4d10) Gd ([Xe]6s24f75d1)

    3.8:

    (diamagnetic) He, Be

    He1s2

    Be1s2

    2s2

    (paramagnetic) Li, Cu

    Li1s2

    2s2

    Cr [Ar] 4s1

    3d5

    *** Orbital Viewer 1.04 David Manthey (http://www.orbitals.com/orb) 2004

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

  • 3.8: 3-26

    Marvin 5.5.0 JChem 5.5.0 Chemaxon (http://www.chemaxon.com) 2011

    3: 3.1: 3.2: 3.3: (photoelectric)3.4: 3.5: 3.6: 3.7: (electron configuration)3.8: