Физика (стр. 39 )

Начиная с IV периода, наблюдаются отступления от указанного порядка заполнения оболочек. На некоторых участках периодической системы новая оболочка начинает заполняться еще до того, как завершилось построение предыдущей оболочки. Например, девятнадцатый элемент калий имеет девятнадцать электронов, восемнадцать из которых размещаются в К- и L- оболочках и в первых двух подоболочках оболочки . Последний электрон должен был попасть в третью подоболочку M-оболочки. Но калий по своим свойствам (и химическим, и оптическим) схож с литием и натрием, которые имеют валентный электрон в первых подоболочках. Поэтому и 19-й валентный электрон калия должен находиться именно в первой подоболочке, а это может быть только первая подоболочка N-оболочки, т. е. заполнение N-оболочки для калия начинается при незаполненной M-оболочке. Это означает, что состояние с квантовыми числами и имеет меньшую энергию, чем состояние с  и . Химические и оптические свойства кальция указывают, что его 19-й и 20-й электроны находятся в первой подоболочке N-оболочки ( и ). В последующих элементах происходит заполнение пропущенной 3-й подоболочки -оболочки (элементы от скандия до цинка ). После этого заполняется 2-я подоболочка N-оболочки. Криптоном , у которого заполнена 2-я подоболочка полностью (как и у неона и аргона), заканчивается IV период. Подобные рассуждения можно применить и к другим периодам таблицы Менделеева.

На некоторых участках с увеличением числа электронов в атоме число электронов на последней оболочке остается неизменным, и достраивается предыдущая оболочка. В этом случае образуется группа соседних элементов с одинаковым числом валентных электронов, т. е. со сходными химическими свойствами. Такую группу образуют лантаниды (редкоземельные металлы: от лантана до лютеция ), у которых сначала заполняются 1-я и 2-я подоболочки О-оболочки и 1-я подоболочка P-оболочки, после чего заканчивается заполнение N-оболочки. В результате вся группа имеет одинаковое число валентных электронов. Вторую такую группу образуют актиниды (от актиния до лоуренсия ), у которых сначала заполняется 1-я подоболочка Q-оболочки, а затем – пустующие подоболочки предыдущих оболочек, поэтому химические свойства элементов в каждой из этих групп очень близки.

Таким образом, периодичность свойств химических элементов вызвана тем, что эти свойства определяются числом внешних валентных электронов в атоме, а число валентных электронов периодически повторяется по мере заполнения оболочек.

Почему же на химические свойства атома оказывает влияние не вся совокупность электронов, а только внешние? Дело в том, что энергия, выделяемая или поглощаемая при химических реакциях, не превышает нескольких электрон-вольт на атом, а этой энергии достаточно только для того, чтобы изменить расположение внешних электронов. Ее слишком мало, чтобы изменить орбиты внутренних электронов.

4.3. Спонтанное и вынужденное излучения

4.3.1. Поглощение, излучения

Разберем вопрос о том, какие виды излучения могут иметь место при переходе атома из основного состояния в возбужденное и обратно.

Кроме самопроизвольных (спонтанных) переходов атома с одного уровня на другой, наблюдаются также вынужденные (или индуцированные) переходы, обусловленные действием на атом падающего на него излучения. Если атом находится в основном состоянии 1 с энергией (рис. 4.3.1, a), то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние с энергией . Такой переход приводит к поглощению падающего излучения, и вероятность того, что такой переход произойдет, пропорциональна плотности падающего излучения, вызывающего этот переход.

Атом, находящийся в возбужденном состоянии 2 (рис. 4.3.1, б), может через некоторое время спонтанно, без внешних воздействий перейти в состояние с меньшей энергией, отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, т. е. испуская квант света с энергией .

 

а) б) в)

Рис. 4.3.1

Этот процесс испускания фотона возбужденным атомом без внешних воздействий называется спонтанным излучением. Так как самопроизвольные переходы атомов с одного энергетического уровня на другой никак не связаны между собой, то спонтанное излучение некогерентно.

Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2 (рис. 4.3.1, в), действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию , то этот атом совершит вынужденный переход в состояние 1. При этом будет излучен фотон той же энергии . Получается так, что дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход, происходит излучение еще одного фотона той же частоты. Возникшее излучение называется вынужденным. Схематически возможные переходы атома между уровнями 1 и 2 показаны на рис. 4.3.1.

Вынужденное излучение обладает очень важными свойствами. Направление его распространения в точности совпадает с направлением распространения внешнего излучения, вызвавшего переход. То же самое относится к частоте, фазе и поляризации вынужденного и внешнего излучений. Значит, в процессе вынужденного излучения участвуют два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. При этом вторичный фотон является точной копией первичного. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.

Итак, падающий на вещество свет с частотой , совпадающей с частотой атомов вещества, будет вызывать два процесса: переход атомов из состояния с энергией в состояние с энергией и вынужденный переход атомов из состояния 2 в состояние 1. Первый процесс приводит к поглощению света и ослаблению падающего излучения; второй – к увеличению интенсивности падающего излучения. Результирующее изменение интенсивности падающего излучения зависит от того, какой из двух процессов преобладает.

При равновесном состоянии системы с увеличением энергии состояния населенность уровня, т. е. количество атомов в данном состоянии, уменьшается (в соответствии с распределением Больцмана): . здесь число атомов, находящихся при температуре в состоянии с энергией , – постоянная Больцмана, – константа.

Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исходного уровня. Следовательно, в системе атомов, находящейся в термодинамическом равновесии, поглощение падающего светового излучения будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая световая волна при прохождении через вещество ослабляется (за счет поглощения средой). Для того чтобы получить усиление падающей волны, нужно каким-либо способом обратить населенность энергетических уровней, т. е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией находилось большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией . В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населенность. В соответствии с распределением Больцмана: