Spektroskopia dla (nie) kompletnie zielonych #3 Struktura atomu i liczby kwantowe

Jeśli znalazłeś się na tej stronie przypadkowo, z całego serca odradzam dalszą lekturę. Treści tu zawarte mają charakter drastyczny i niszczący. Nie uświadczysz tutaj niczego interesującego, a samo czytanie da Ci poczucie straconego czasu. W przeciwieństwie do mnie, masz wybór i nie musisz zapoznawać się z poniższym artykułem. Jeśli jednak mimo ostrzeżeń chcesz narazić się na ból, zalecam zapoznanie się z poprzednimi częściami celem nabrania odporności, ponieważ ta jest najgorsza ze wszystkich, a będzie jeszcze gorzej.

W poprzednim odcinku obiecałem zabrać Was spod deszczu fal i mechaniki kwantowej. Niestety trafiamy pod rynnę zwaną strukturą atomu.

Czym jest atom zapytacie? (Wcale tego nie zrobicie, ale i tak muszę odpowiedzieć na to pytanie) Aby się tego dowiedzieć musimy zrozumieć czym jest materia sama w sobie.

Pierwiastki składają się z 3 zasadniczych elementów:

• Protonów o ładunku dodatnim
• Neutronów - cząstek neutralnych
• elektronów o ładunku ujemnym.

Praktycznie cała masa atomu zgromadzona jest w jego centrum. By to zobrazować posłużę się przykładem. Weźmy cały Wrocław wraz z przylegającymi do niego wsiami. Będzie on nam symbolizował Atom.

Jądro natomiast będzie rozmiaru budki telefonicznej.

Wokół budki będą orbitować niewielkie, np. rozmiaru ziarnka ryżu elektrony, o ile będą miały jakikolwiek rozmiar, ponieważ jest to kwestia sporna wśród naukowców. Ale nie będą orbitować ot tak sobie. Jeśli budka postawiona będzie na rynku, to pierwszy elektron napotkamy gdzieś w okolicy Dworca Głównego, albo Psiego pola, no nie wiem w każdym razie daleko od budki. Pomiędzy nimi nie będzie nic.

Tak moi drodzy, nasz świat składa się praktycznie z pustki, natomiast to co utrzymuje go w przysłowiowej kupie, to zakazy.

Skoro cały świat wypełnia pustka, to dlaczego nie możemy przenikać przez ściany?

Na to odpowiada Zakaz Pauliego (który według mnie powinien zostać zniesiony). Mówi on, że nie mogą istnieć w jednym miejscu 2 takie same elektrony. Oznacza to więc, że przy zbliżaniu się elektronów odpychają się one od siebie, tym mocniej im bardziej je zbliżamy. Działają przy tym jak magnes o identycznych biegunach. Tak wiec zasadniczo żaden atom nie dotyka drugiego. Nasz samochód którym jedziemy nie dotyka powierzchni drogi lecz unosi bardzo blisko niej.

No dobrze, ale dlaczego w takim razie wszystko się nie rozleci w przestrzeni?
To jest związane z działaniem sił przyciągania się atomów. To one odpowiedzialne są za stan skupienia materii. Jeśli są duże to mamy do czynienia z ciałem stałym. Jeśli małe - ciecz i gaz.

Ma to swoje konsekwencje praktycznie wszędzie. W reakcjach chemicznych używa się często zwiększonego ciśnienia aby atomy reagowały z lepszą wydajnością, natomiast w przypadku fal, możliwe jest, że fala po prostu przejdzie bez przeszkód przez dany atom nie wywołując efektu. Dzieje się tak np. z neutinami które potrafią przelecieć przez całą kulę Ziemską bez żadnego efektu.

Elektrony chociaż są małe, są bardzo istotne. Bez nich nie byłoby reakcji chemicznych i spektroskopii. Dziś opowiemy sobie właśnie o nich. Jednak nie będzie to ciekawa opowieść. Będzie przerażająco nudna i skomplikowana. Pamiętajcie, że ja opowiadam tą historię z obowiązku, ale wy wcale nie musicie jej słuchać.

Zacznijmy więc od modelu elektronu. Załóżmy, że jądro jest Słońce jest jądrem, a nasza planeta elekronem. Ma on przestrzeń po której się porusza, orbita ma pewien kształt, niekoniecznie okręgu więc musi mieć też pewną orientacje w przestrzeni. Do tego sama planeta kręci się wokół własnej osi, w lewo lub w prawo.

I teraz wyobraźcie sobie, że te przestrzenie, orbity, ich kształty, orientacje i kierunki obrotów są ściśle określone. Teraz połączmy te fakty z faktem, że nie mogą w jednym atomie istnieć dwa takie same atomy i mamy wniosek:

Liczba elektronów jest ograniczona.

Teraz zajmiemy się opisywaniem tych elektronów. Zaczniemy od wytłumaczenia sobie zależności pomiędzy poszczególnymi liczbami kwantowymi. Zapisujemy je jako małe litery.

n - Główna liczba kwantowa, jest związana z energią elektronu. im dalej znajduje się on od jądra tym większą ma energię. n przyjmuje wartości liczb naturalnych. Odpowiada też za rozciągłość orbitalu. Najczęściej rozumiemy ją jako numer powłoki. Powłoki numeruje się według ich odległości od jądra: K,L,M,N,O,P,Q

l - Poboczna liczba kwantowa Jest związana z kształtem orbitalu elektronu i przyjmuje wartości (n -1) czyli 0,1,2,3... Obrazuje orbitalny moment pędu elektronu. Poszczególne kształty maja swoje oznaczenie: s,p,d,f

m - Magnetyczna orbitalna liczba kwantowa. Określa orientację przestrzenną orbitalu, może przyjmować wartości +/- l czyli np. -2,-1,0,1,2 Reprezentuje rzut momentu pędu elektronu na określony kierunek przestrzeni. czyli określają osie x,y,z.

Źródło

Obrazowanie tego widoczne jest na Rysunku, orbitale (a tak naprawdę gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu) różnią się w zależności od liczb kwantowych

Ostatnią liczbą jest Spinowa magnetyczna liczba kwantowa (ms). Ma ona dwie możliwe wartości 1/2 i -1/2

Reprezentuje ona obrót elektronu wokół własnej osi czyli własny moment pędu elektronu.

Wychodzi więc na to, że w atomy mogą mieć 2n^2 elektronów. Przedstawmy więc sobie dla przykładu orbital o n=3

n=3 /l= 0,1,2 / 3s2 3p6 3d10 czyli łącznie może do niego należeć 18 elektronów.

Jednak w życiu nigdy nie jest za łatwo i już od n=3 zaczynają się schody, dosłownie.

Otóż okazuje się, że zapełnianie powłok nie jest takie jakie podpowiada nam intuicja. Na początku jest normalnie, mamy 1s2 2s2 p6 3s2 p6 ALE już nie następuje tu d10 lecz 4s2! Orbital 3d10 nastepuje dopiero po 4s2. Reprezentuje to ta grafika:

Źródło

Czyta się ją od lewej do prawej, chyba, że natrafimy pod strzałką na inny orbital, wtedy zapisujemy go i zapisujemy kolejny do którego prowadzi strzałka, jeśli nie ma takiego, wracamy do czytania w miejscu w którym zjechaliśmy po strzałce w dół.

Ale! Żeby nie było za prosto (tak, wiem, że praktycznie nic nie rozumiecie, ale pamiętajcie, że zawsze może być gorzej i będzie) to mamy do czynienia z promocją elektronu w niektórych metalach jak np. miedź. Dzięki temu elektron znajduje się na wyższym poziomie niż wynikałoby to z budowy atomu. Sprawia to, że miedź jest dobrym przewodnikiem.

No dobrze, ale jeszcze pozostał problem sparowania elektronu. Otóż zgodnie z regułą hunda, elektrony będą zapełniać kolejno wszystkie wolne wartości m tak aby mieć jednakowy spin. Wyjaśnienie tego znajduje się na obrazku poniżej.
Źródło

Jak widać, najpierw zapełniane są wolne miejsca, Każda klatka symbolizuje jedną wartość m.

Następnie kiedy wszystkie klatki będą zajęte elektronami o jednakowym spinie (w nomenklaturze 1/2 i strzałka w górę), elektrony będą parowane znów od najniższych wartości m, elektronami o przeciwnym spinie (-1/2 i strzałka w dół)

Tak wygląda kwestia elektronowej struktury atomu. Oczywiście jet to trudne i nudne, ale mogłoby być jeszcze gorsze gdybym podał wzory opisujące elektron, czego jednak tym nielicznym czytającym daruję.

Niestety nie jest to koniec. Muszę jeszcze opowiedzieć o jednym szczególnym przypadku, mianowicie hybrydyzacji. Zachodzi ona np. w związkach węgla i odgrywa tam największą rolę. Polega ona na tworzeniu się orbitali mieszanych np. sp, sp2 w wyniku nakładania się dwóch orbitali. Dokładniej, możliwe, że zajmiemy się tym w przyszłości.

W kolejnym odcinku zaś przygotujemy sobie przedpole do ataku na termy. Zdecydowanie potworny temat, który stał się grobem wielu studentów i badaczy. Zdecydowanie odradzam uczestnictwo w tym rajdzie.