Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm Chương II. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I. NGUYÊN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ 1. Nguyên tử và các hạt cơ bản - Nguyên tử là hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất. Chúng có khối lượng, kích thước rất nhỏ bé nhưng có cấu tạo rất phức tạp. - Cấu tạo nguyên tử: • Hạt nhân : tích điện dương (+) • Lớp vỏ điện tử : tích điện âm (–) * nguyên tử trung hòa về điện Hình 2.1. Mô hình cấu tạo nguyên tử - Các hạt cơ bản cấu tạo nguyên tử: Tên Ký hiệu Khối lượng Điện tích kg đvC culomb đve Eletron Proton Neutron e p n 9,1095.10 -31 1,6726.10 -27 1,6745.10 -27 0,000549 1,007276 1,008665 –1,60219.10 -19 +1,60219.10 -19 0 – 1 + 1 0 2. Quang phổ nguyên tử • Quang phổ của ánh sáng là quang phổ liên tục. Hình 2.2. Phổ bức xạ điện từ của ánh sáng trắng 1 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm • Quang phổ nguyên tử là quang phổ vạch. Mỗi vạch ứng với một bước sóng xác định, đặc trưng cho nguyên tử đó. Ví dụ: Khí Hydrogen loãng khi bị phóng điện sẽ phát ra ánh sáng gồm những tia có bước sóng khác nhau (phổ). Phổ hydro trong vùng khả kiến gồm 4 vạch Hình 2.3. Quang phổ vạch của nguyên tử hydro • Sóng tương ứng với các tia bức xạ được đặc trưng bởi biên độ sóng A (Amplitude), bước sóng λ (Wavelength), tần số ν (frequence). Hình 2.4. Các thông số sóng II. THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ CỦA BOHR Hình 2.5. Mô hình hành tinh nguyên tử của Bohr 2 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm Ba định đề của Bohr: • Định đề 1: Electron quay quanh nhân trên những quỹ đạo tròn đồng tâm xác định, gọi là quỹ đạo bền. • Định đề 2: Khi electron quay trên quỹ đạo bền không phát ra năng lượng điện từ. • Định đề 3: Năng lượng sẽ được phát xạ hay hấp thu khi electron chuyển từ quỹ đạo bền này sang quỹ đạo bền khác. ∆E = E đ – E c = hν Hình 2.6. Sự thay đổi trạng thái của e III. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 1. Tính sóng hạt của các hạt vi mô - Cơ học lượng tử quan niệm rằng các hạt vi mô có cả tính chất hạt và tính chất sóng. • Bản chất hạt: các hạt vi mô đều có khối lượng m, kích thước r và chuyển động với một tốc độ v xác định. • Bản chất sóng: khi hạt vi mô chuyển động sẽ tạo ra một sóng, đặc trưng bởi bước sóng λ. Tính chất sóng được thể hiện qua hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ. - Quan hệ giữa tính sóng hạt của các hạt vi mô được thể hiện qua hệ thức De Broglie: mv h λ = o h - hằng số Plank = 6,625.10 -27 erg.s o m - khối lượng hạt vi mô. o v - tốc độ hạt vi mô. - Ví dụ: • Đối với electron: m = 9,1.10 -31 kg, chuyển động với tốc độ v = 10 6 cm/s sẽ tạo nên sóng với bước sóng λ = 7,3.10 -10 m. Có thể dùng mạng tinh thể chất rắn làm mạng nhiễu xạ để phát hiện sóng này: 3 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm Hình 2.7. Thí nghiệm nhiễu xạ • Đối với hạt vĩ mô: m = 1g, chuyển động với tốc độ v = 1cm/s sẽ tạo nên sóng 6,6.10 -29 m. bước sóng quá bé, không phát hiện được. 2. Nguyên lý bất định Heisenberg • Bản chất sóng - hạt đưa tới hệ quả quan trọng về sự chuyển động của hạt vi mô, thể hiện trong nguyên tắc do Heisenberg đưa ra năm 1927: không thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí và tốc độ của hạt vi mô. 2ππ h m Δx.Δv =≥  o ∆x - độ bất định về vị trí. o ∆v - độ bất định về tốc độ. *Đối với hạt vi mô xác định m  là hằng số nên khi tọa độ của nó được xác định càng chính xác (∆x càng nhỏ) thì tốc độ của hạt càng được xác định kém chính xác (∆v càng lớn) và ngược lại. Tổng quát, đối với hạt vi mô: Khi xác định tương đối chính xác tốc độ chuyển động của electron 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. 3. Khái niệm đám mây electron • Khi chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử, electron đã tạo ra một vùng không gian bao quanh hạt nhân mà nó có thể có mặt ở bất kỳ thời điểm nào với xác suất có mặt khác nhau. Vùng không gian đó được gọi là đám mây electron (hay Orbital nguyên tử). Nơi nào electron thường xuất hiện thì mật độ electron dày đặc hơn, như vậy mật độ của đám mây tỷ lệ thuận với xác suất có mặt của electron và được xác định bằng đại lượng Ψ 2 . • Theo tính toán của cơ học lượng tử thì đám mây electron là vô cùng vì electron có thể tiến lại rất gần hạt nhân, cũng có thể ra xa vô cùng. Quy ước: đám mây electron là vùng không gian chứa khoảng 90% xác suất có mặt của electron. Hình dạng của đám mây được biểu diễn bằng bề mặt giới hạn bởi những điểm có mật độ xác suất bằng nhau của vùng không gian đó. 4 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm 4. Phương trình sóng Schrödinger và 4 số lượng tử a. Phương trình sóng Schrödinger *Phương trình sóng Schrödinger được xem là 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. • Theo cơ học lượng tử, việc nghiên cứu cấu trúc của các hệ vi mô là việc giải phương trình sóng Schrödinger đối với hệ vi mô đó. • Phương trình sóng Schrödinger cơ bản mô tả sự chuyển động của hạt vi mô trong trường thế năng đối với trường hợp trạng thái của hệ không thay đổi theo thời gian (trạng thái dừng): ( ) 0ΨVE h m8π z Ψ y Ψ x Ψ 2 2 2 2 2 2 2 2 =−+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ Trong đó: o ∂ - vi phân riêng phần o m - khối lượng hạt vi mô o h – hằng số Plank o E – năng lượng toàn phần của hạt vi mô (tổng động năng và thế năng) o V - thế năng của hạt vi mô, phụ thuộc vào toạ độ x, y, z o Ψ - hàm sóng đối với các biến x, y, z mô tả sự chuyển động của hạt vi mô ở điểm có tọa độ x, y, z. - Sau khi giải phương trình Schrödinger thu được hàm Ψ, người ta bình phương hàm Ψ thì thu được hàm Ψ 2 : Ψ 2 – mật độ xác suất có mặt của hạt vi mô tại điểm có tọa độ x, y, z. - Xét trong không gian dV: Ψ 2 dV – xác suất có mặt của e trong vùng không gian dV • Khi giải phương trình sóng Schrödinger cho các hệ nguyên tử khác nhau người ta thấy xuất hiện 4 đại lượng không thứ nguyên nhưng lại xác định trạng thái của electron trong nguyên tử. Đó là 4 số lượng tử. Chú ý: Phương trình sóng Schrödinger chỉ giải được chính xác cho trường hợp hệ một nguyên tử H. Đối với các hệ vi mô phức tạp hơn phải giải gần đúng. 5 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm 5. Bốn số lượng tử a. Số lượng tử chính n và các mức năng lượng • Xác định: + Trạng thái năng lượng của electron + Kích thước trung bình của đám mây electron. Ví dụ: đối với H: Hình 2.8. Mô hình vỏ nguyên tử eV n Z 13.6J n Z 2,18.10Z hn8ε me E 2 2 2 2 182 222 0 4 −=−=−= − ( )             + −+= 2 2 0 n 1ll 1 2 1 1 Z na r *n càng tăng thì E và r càng lớn • Giá trị: n = 1, 2, 3, …, ∞ • Ứng với lớp n sẽ có tối đa 2n 2 electron. • Trạng thái năng lượng của electron tương ứng với mỗi giá trị của n được gọi là một mức năng lượng. n 1 2 3 … ∞ Các mức năng lượng E 1 E 2 E 3 … E ∞ • Các electron nằm trên cùng một mức năng lượng họp thành một lớp electron. n 1 2 3 4 5 6 7 lớp electron K L M N O P Q • Giải thích quang phổ vạch của nguyên tử: 6 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm Hình 2.9. Các mức năng lượng và dãy quang phổ nguyên tử hydro 7 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm o Ở điều kiện bình thường electron ở mức năng lượng thấp nhất (mức bền nhất): mức cơ bản. o Khi hấp thu năng lượng, electron sẽ chuyển lên mức cao hơn (mức kích thích), kém bền hơn (chỉ tồn tại khoảng 10 -8 – 10 -10 s), electron sẽ nhanh chóng chuyển về mức năng lượng thấp hơn, khi đó nó phát ra một phần năng lượng đã hấp thụ dưới dạng các sóng ánh sáng: λ hc EEΔE cbkt =−= o Khi chuyển về mức n = 1 ta có dãy Lyman, n = 2 tương ứng dãy Balmer… b. Số lượng tử orbital (phụ) l và hình dạng đám mây electron • Xác định: o Năng lượng của đám mây trong nguyên tử nhiều electron o Trong nguyên tử nhiều electron: các mức năng lượng có thể bị tách ra thành nhiều phân mức năng lượng. Mỗi phân mức năng lượng được đặc trưng bởi một số lượng tử orbital l. l càng tăng, năng lượng của các phân mức càng lớn. o Hình dạng đám mây electron • Giá trị: l = 0, 1, …, (n – 1) o Lớp n có n giá trị của l • Những electron có cùng giá trị n và l tạo thành một phân lớp electron. Số lượng tử orbital l 0 1 2 3 … Tên phân lớp electron s p d f … Ký hiệu phân lớp: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d… c. Số lượng tử từ m l và các orbital nguyên tử • Xác định: o Sự định hướng của đám mây trong từ tường o Mỗi giá trị của m l ứng với một cách định hướng của đám mây electron. • Giá trị: m l = 0, ±1, …, ±l. Như vậy, mỗi giá trị của l có (2l + 1) giá trị của m l . • Đám mây electron được xác định bởi ba số lượng tử n, l, m l được gọi là orbital nguyên tử (AO). Hình 2.10. Hình dạng AO s, p 8 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm Hình 2.11. Hình dạng AO d d. Số lượng tử spin m s Hình 2.12. Trạng thái tự xoay của electron • Ý nghĩa: đặc trưng chuyển động riêng của electron, tức là sự tự quay quanh trục của electron. • Giá trị: m s = ± ½ ứng với hai chiều quay thuận và nghịch với chiều kim đồng hồ. • Bộ 4 số lượng tử n, l, m l , m s xác định một electron trong nguyên tử. IV. NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON 1. Trạng thái năng lượng của electron trong nguyên tử nhiều electron. • Giống e trong nguyên tử 1e: o Cũng được xác định bằng 4 số lượng tử n, l, m l , m s o Hình dạng, độ lớn, phân bố, định hướng của các AO • Khác nhau giữa nguyên tử 1e và nhiều e: o Năng lượng: phụ thuộc vào cả n và l o Lực tương tác: + lực hút hạt nhân – electron + lực đẩy e – e. Tương tác đẩy giữa các electron làm xuất hiện hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập • Hiệu ứng chắn: Đặc trưng cho tương tác đẩy giữa các lớp electron bên trong đối với các electron lớp ngoài. Các lớp electron bên trong biến thành màn chắn, làm yếu lực hút của hạt nhân đối với các electron bên ngoài. 9 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm *Đặc điểm của hiệu ứng chắn: o Các electron bên trong chắn mạnh đối với các electron bên ngoài, ngược lại các electron bên ngoài gây hiệu ứng chắn không đáng kể đối với các electron bên trong. o Các electron trên cùng một lớp chắn nhau yếu so với khác lớp. Trong cùng một phân lớp chắn nhau càng yếu. o Trên cùng một lớp n, nếu l tăng thì hiệu ứng chắn giảm. Hiệu ứng chắn giảm dần theo dãy s > p > d > f. o Với cùng một loại AO (cùng l), n tăng hiệu ứng chắn giảm. o Cấu hình bão hòa hoặc bán bão hòa có tác dụng chắn rất lớn. *Tóm lại, hiệu ứng chắn phụ thuộc vào kích thước (n) và hình dạng AO (l) • Hiệu ứng xâm nhập: đặc trưng cho khả năng đâm xuyên của các electron bên ngoài vào các lóp electron bên trong để xâm nhập vào gần hạt nhân. o Theo chiều tăng l, hiệu ứng xâm nhập giảm dần: s > p > d > f o n càng lớn, kha năng xâm nhạp càng giảm. Do sự xuất hiện hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập nên trật tự năng lượng của các phân lớp trong nguyên tử nhiều e có sự thay đổi so với hệ 1 electron: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f ≈ 6d 2. Các quy luật phân bố electron vào nguyên tử nhiều e a. Nguyên lý ngoại trừ Pauli Trong nguyên tử không thể có hai electron có cùng 4 số lượng tử. Vì vậy, mỗi AO chứa tối đa 2e có spin ngược dấu. b. Nguyên lý vững bền Trạng thái bền vững nhất của electron trong nguyên tử là trạng thái tương ứng với giá trị năng lượng nhỏ nhất. Các electron sẽ sắp xép vào các mức năng lượng từ thấp đến cao. c. Quy tắc Klechcowski: • Trong một nguyên tử nhiều electron, trật tự điền các electron vào các phân lớp (đặc trưng bởi n và l) sao cho tổng (n + l) tăng dần. • Khi hai phân lớp khác nhau có cùng giá trị (n + l) thì electron được xếp vào phân mức có n tăng dần. Phân mức: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d (n + l) 1 2 3 3 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 8 8 10 [...].. .Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử ThS Lê Minh Tâm d Quy tắc Hund: Trạng thái bền của nguyên tử tương ứng với sự sắp xếp electron trong một phân mức năng lượng sao cho giá trị tuyệt đối ủa ổng spin phải cực đại + Ví dụ: O 1s22s22p4 3 Công thức electron nguyên tử Ví dụ: N 1s22s22p3 - các số 1, 2 - giá trị của số lượng tử chính - các chữ s, p… - ký hiệu của số lượng tử orbital - các số mũ – . cực đại. + Ví dụ: O 1s 2 2s 2 2p 4 3. Công thức electron nguyên tử. Ví dụ: N 1s 2 2s 2 2p 3 - các số 1, 2 - giá trị của số lượng tử chính - các chữ s, p… - ký hiệu của số lượng tử orbital - các. đve Eletron Proton Neutron e p n 9,1095.10 -3 1 1,6 726 .10 -2 7 1,6745.10 -2 7 0,000549 1,00 727 6 1,008665 –1,6 021 9.10 -1 9 +1,6 021 9.10 -1 9 0 – 1 + 1 0 2. Quang phổ nguyên tử • Quang phổ của ánh sáng là quang phổ liên tục. Hình 2. 2. Phổ. electron. Ví dụ: đối với H: Hình 2. 8. Mô hình vỏ nguyên tử eV n Z 13.6J n Z 2, 18.10Z hn8ε me E 2 2 2 2 1 82 222 0 4 −=−=−= − ( )             + −+= 2 2 0 n 1ll 1 2 1 1 Z na r *n càng tăng