cẤu tẠo nguyÊn tỬ

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Chương 2: (5tiết)

NỘI DUNG2.1. Lịch sử thuyết cấu tạo nguyên tử

2.1.1. Mô hình Thomson (1903)

2.1.2. Mô hình Rutherfor (1911)

2.1.3. Mô hình Borh (1913)

2.2. Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại

2.2.1. Những luận điểm cơ bản của cơ

học lượng tử

2.2.2. Giải thích cấu tạo nguyên tử một

điện tử bằng cơ học lượng tử

2.2.3. Nguyên tử nhiều điện tử


2.1. Lịch sử thuyết cấu tạo nguyên tử (Mô hình

Thomson, Rutherfor, Borh)

2.1.1. Mô hình Thomson (1903)

- Năm 1903, Thomson nhà vật lý người Anh đã

đưa ra mẫu nguyên tử. Theo ông nguyên tử gồm

từ điện tích dương phân bố đều trong toàn bộ thể

tích nguyên tử và những electron chuyển động

giữa điện tích dương đó.


2.1.2. Mô hình Rutherfor (1911)

- Khi cho bức xạ qua lá kim loại mỏng thì đa số

các hạt qua lá kim loại không bị lệch hướng

nhưng cũng có một số ít hạt bị bật trở lại.

- Thí nghiệm này cho thấy nguyên tử có độ rỗng

lớn, các hạt tích điện dương có kích thước rất nhỏ

vì chỉ khi va chạm với hạt tích điện dương thì hạt

mới bị bật trở lại.


* Nội dung thuyết Rutherfor:

- Mỗi ngtử gồm hạt nhân mang điện tích dương có kích thước nhỏ (bán kính khoảng 10-15 m) so với kích thước ngtử (bán kính khoảng 10-10m).

- Khối lượng nguyên tử tập trung chủ yếu ở hạt nhân. Xung quanh hạt nhân là các điện tử chuyển động trên các quỹ đạo khác nhau.

- Nguyên tử trung hòa về điện nên số điện tử có trong ngtử bằng với điện tích hạt nhân nguyên tố.


2.1.3. Mô hình Borh (1913)

- Sự xuất hiện thuyết lượng tử ánh sáng của

Plank, nhà bác học Bohr đã đưa ra một lý thuyết

mới về cấu tạo nguyên tử dựa trên sự phối hợp

mẫu hành tinh và thuyết lượng tử ánh sáng.


* Nội dung chính của thuyết này gồm ba tiên đề:

- Electron quay xung quanh hạt nhân không phải trên

những quỹ đạo bất kỳ mà trên những quỹ đạo tròn,

đồng tâm có bán kính nhất định gọi là những quỹ đạo

bền.

- Khi quay trên những quỹ đạo bền này electron

không phát ra năng lượng điện từ (không mất năng

lượng).

- Nguyên tử chỉ được phát ra hay hấp thụ năng lượng

(E) khi electron chuyển từ quỹ đạo bền này sang quỹ

đạo bền khác và bằng hiệu số năng lượng của

electron ở trạng thái đầu (Eđ) và trạng thái cuối (Ec).


2.2. Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại

2.2.1. Những luận điểm cơ bản của cơ học

lượng tử

- Cơ học lượng tử quan niệm rằng các vật vi mô

có cả tính chất hạt và tính chất sóng, nghĩa là

chúng thể hiện đồng thời như những hạt và sóng.

- Ánh sáng là những sóng điện từ có tần số dao

động n (hoặc bước sóng l) xác định được lan

truyền với tốc độ c. Tính chất sóng thể hiện trong

biểu thức: c


- Plănk đề xuất: ánh sáng là dòng các vật chất không thể phân chia được nữa gọi là các lượng tử ánh sáng hay các phôtôn, chúng có khối lượng m và chuyển động với tốc độ c.

- Tính chất hạt của ánh sáng được thể hiện trong phtrình Plănk:

- Từ phương trình Plănk, Ensten (E = mc2), chúng ta có thể rút ra được phương trình thể hiện bản chất sóng - hạt của ánh sáng:

mc

h

hE


* Louis De Broglie (1924): Electron cũng như các vật chất vi mô đều có bản chất sóng - hạt đối với chúng hệ thức sau đây phải thỏa mãn:

Với: v: vận tốc hạt (cm.s-1)

λ: bước sóng (cm)

m: khối lượng hạt (g)

h: hằng số Plank có giá trị 6,626.10-34 J.s

mv

h


- Bản chất sóng - hạt của vật vi mô đưa đến hệ quả

quan trọng về sự chuyển động của nó, thể hiện trong

nguyên tắc do Heisenberg đưa ra vào năm 1927:

không thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí lẫn

tốc độ của hạt vi mô.

- Heisenberg: Hạt vi mô khi biết chính xác tốc độ

chuyển động của chúng, ta không thể nói đến đường

đi chính xác của nó, mà chỉ có thể nói đến xác suất có

mặt của nó ở chỗ nào đó trong không gian.

m

hv.x


* Phương trình sóng của Schrodinger (1926):- Cơ học lượng tử mới thành lý thuyết hoàn chỉnh cho phép giải quyết thành công vấn đề cấu tạo nguyên tử. - Phương trình sóng Schrodinger được xem là những định luật cơ học lượng tử về sự chuyển động của các hạt vi mô tương tự như các định luật của Newton trong cơ học cổ điển.- P.trình sóng Schrodinger của một hạt có dạng:

Với: φ: biên độλ: bước sóng0

2

zyx

2

2

2

2

2

2

2


- Khi thay l bằng bước sóng De Broglie, biên độ sóng bằng biên độ sóng 3 chiều và sử dụng đại lượng năng lượng toàn phần của electron, chúng ta sẽ thu được phương trình sóng Schrodinger cơ bản đối với chuyển động của một eletron trong nguyên tử:

Trong đó:- E: năng lượng toàn phần của electron - V: thế năng của electron phụ thuộc vào

tọa độ x, y, z. - ψ: hàm sóng đối với các biến số x, y, z.

0VEh

m8

zyx 2

2

2

2

2

2

2

2


- Cơ học lượng tử quan niệm rằng khi chuyển

động xung quanh hạt nhân nguyên tử electron đã

tạo nên vùng không gian bao quanh hạt nhân mà

nó có thể có mặt ở thời điểm bất kỳ với xác suất

có mặt khác nhau. Vùng không gian như vậy

được hình dung như một đám mây electron.

- Đám mây electron là vùng không gian gần hạt

nhân trong đó tập trung phần lớn (khoảng 95%)

diện tích cũng như khối lượng electron và hình

dạng đám mây electron được biểu diễn bằng bề

mặt giới hạn vùng không gian đó.


2.2.2. Giải thích cấu tạo nguyên tử một điện tử bằng cơ học lượng tử

- Phân tích phương trình sóng Schrodinger đối với

các mô hình nguyên tử đơn giản hóa chúng ta lại

thấy hàm số sóng gắn liền với các đại lượng đặc

trưng là những số lượng tử.

- Như vậy rõ ràng trạng thái của electron trong

nguyên tử được xác định bởi các số lượng tử.

Số lượng tử chính (n), slt orbitan (l), slt từ (ml)

và slt spin (ms).


(1) Số lượng tử chính n và các mức năng lượng

- Trong nguyên tử electron chỉ có thể ở trên những trạng thái năng lượng xác định tuân theo điều kiện lượng tử hóa.

- Điều kiện lượng tử hóa này được thể hiện bằng sự có mặt của số lượng tử n trong biểu thức xác định các giá trị năng lượng.

- Chẳng hạn đối với nguyên tử hydro biểu thức năng lượng có dạng:

222

42

n

16,13

hn

me2E

Số lượng tử chính n:

1 2 3 4 5 6 7

Ký hiệu lớp lượng tử:

K L M N O P Q


(2) Số lượng tử orbitan l và hình dạng đám mây electron

- Số lượng tử orbitan (hay còn gọi là số lượng tử phụ)

cũng có những giá trị nguyên, dương. Tuy nhiên, số giá trị

của nó bị ràng buộc bởi số lượng tử chính n.

- Đối với mỗi giá của n, số lượng tử orbitan có những giá

trị từ 0 đến (n-1): l = 0, 1, 2, 3,…., (n – 1)

- Các e trong mỗi lớp e có cùng giá trị l tạo thành phân lớp

e. Các phân mức năng lượng (phân lớp lượng tử) được ký

hiệu như sau:

Số lượng tử orbitan l: 0 1 2 3 4 5

Ký hiệu phân lớp lượng tử:

s p d f g h


* Hình dạng các đám mây electron

- Theo kết quả tính toán của cơ học lượng tử, các đám mây electron tương ứng trạng thái s (l=0) có dạng khối cầu, trạng thái p (l=1) có dạng 2 khối cầu biến dạng tiếp xúc nhau (hình quả tạ đôi, số 8 nổi), trạng thái d (l=2) có 4 dạng khối cầu biến dạng tiếp xúc nhau...


(3) Soá löôïng töû töø ml

- Đaëc tröng cho söï ñònh höôùng caùc orbital ngtöû trong töø tröôøng vaø quyeát ñònh soá orbital coù trong moät phaân lôùp.- Ứng với mỗi giá trị l, ml có các giá trị: ml = 0, ±1, ±2,.., ±l. Như vậy ứng với mỗi phân mức năng lượng l sẽ có (2l +1) kiểu định hướng khác nhau của đám mây electron trong không gian.-Trạng thái của e trong nguyên tử được đặc trưng bởi những giá trị nhất định n, l và ml , nghĩa là: kích thước, hình dạng và định hướng trong không gian của đám mây e, và được gọi là orbital e nguyên tử.

Ví duï: * l = 0 thì: m coù 1 giaù trò ml = 0 töùc laø 1 orbitan s* l = 1 thì: m coù 3 giaù trò laø ml = -1, 0 ,+1 töùc laø 3 orbitan p: px,py vaø pz.

* l = 2 thì: m coù 5 giaù trò laø ml = -2, -1, 0, +1, +2 töùc laø 5 orbitan d: dxy, dxz, dyz, dz2 vaø dx2-y2.


(4) Soá löôïng töû spin ms

- Đaëc tröng cho söï töï quay cuûa e xung quanh truïc cuûa mình theo chieàu thuaän hay chieàu nghòch vôùi chieàu quay kim ñoàng hoà vaø nhaän moät trong hai giaù trò töø +1/2 -1/2 . (Nếu e độc thân có ms=+1/2 ; Nếu e ghép đôi có ms= -1/2)


* Boán soá löôïng töû n, l, ml , ms xaùc ñònh hoaøn toaøn traïng thaùi cuûa electron trong nguyeân töû. (Bảng 2.2 / tr.49)


2.2.3. Nguyên tử nhiều điện tử(1) Trạng thái năng lượng electron trong ntử nhiều điện tử

- Ngoaøi töông taùc giöõa haït nhaân vôùi e, coøn coù töông taùc giöõa caùc e vôùi nhau, töông taùc naøy taïo neân hai hieäu öùng ñoù laø hieäu öùng xaâm nhaäp vaø hieäu öùng chaén.* Hiệu ứng chắn:+ Do các lớp e bên trong làm giảm lực hút của hạt nhân với e lớp ngoài.+ E bên ngoài bị hút bởi điện tích Z* < Z+ S = Z – Z* là hằng số chắn* Hiệu ứng xâm nhập:- Các e bên ngoài có thể xâm nhập vào gần hạt nhân- Khả năng xâm nhập của e giảm dần theo chiều tăng của n và l.


(2) Sự sắp xếp electron trong ngtử nhiều electron

- Dựa vào nguyên lý Pauli, nglý vững bền, quy tắc Hund, quy tắc Kleshkowski.

a. Nguyên lý Pauli: Trong một nguyên tử không thể có 2

Electron có cùng 4 số lượng tử như nhau. Mỗi orbitan có thể chứa tối đa 2 electron có spin khác nhau. (Xem bảng 2.3 trang 53).

Lưu ý: Số electron tối đa trong mỗi lớp = 2n2 (n: slt chính).

b. Nguyên lý vững bền: Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử, các electron sẽ chiếm những mức năng lượng thấp trước (tức là trạng thái bền vững trước) rồi mới đến những trạng thái cao hơn”. 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s≈4f<5d<6p<7s<5f≈6d<7p


c. Quy tắc Hund: “Trong một phân lớp, các electron được sắp xếp sao cho tổng số spin là cực đại.” Nói một cách dễ hiểu, trong một phân lớp các electron sắp xếp trên các orbitan nguyên tử sao cho số electron độc thân là cực đại.


d. Quy tắc Kleshkowski- “Khi điện tích hạt nhân nguyên tử tăng, các e sẽ chiếm các mức năng lượng có tổng số giá trị 2 số lượng tử (n+l) lớn dần ”“Đối với các phân lớp có tổng số 2 số lượng tử (n + l) bằng nhau thì electron được điền vào phân lớp có trị số n nhỏ trước rồi tới phân lớp có n lớn hơn”.

Sơ đồ trật tự sắp xếp electron vào các obitan nguyên tử

Chu kỳ 1

Chu kỳ 2

Chu kỳ 3

Chu kỳ 4

Chu kỳ 5

Chu kỳ 6

Chu kỳ 7


Ví dụ1:

Có các giá trị: n= 4; l= 0; ml= 0; ms= +1/2

Ví dụ2:

Có các giá trị: n= 3; l= 2; ml= +2; ms= -1/2

(Lưu ý: Bộ 4 số lượng tử tuân theo cấu hình năng lượng chứ không phải là cấu hình e).


Câu hỏi: Tại sao phân lớp 2s được xếp sau 1s, 3s xếp sau 2p ?

Phaân lôùp 1s: n + l = 1 + 0 = 1Phaân lôùp 2s: n + l = 2 + 0 = 2Phaân lôùp 2p: n + l = 2 + 1 = 3Phaân lôùp 3s: n + l = 3 + 0 = 3

→ Naêng löôïng AO thuoäc phaân lôùp 3s > 2p vì coù giaù trò n lôùn hôn.


BÀI TẬP VỀ NHÀ

Tự luận: btập 1-13 (trang 58-60).

Trắc nghiệm: btập 54-91 (trang 310-317).

cẤu tẠo nguyÊn tỬ

Documents