Çok Elektronlu Atomlar ve Periyodik Tablo
Çok elektronlu atomlar, her bir elektronun çekirdeğin ve diğer elektronların ortalama bir alanında hareket ediyormuş gibi ele alınmasıyla tanımlanmakta olup, ortaya çıkan orbitallerin Pauli ilkesine uygun olarak doldurulması periyodik tabloyu yeniden üretmektedir.
Tanım
Çok elektronlu bir atom, karşılıklı itmelerinin kesin bir çözümü engellediği, iki veya daha fazla elektron içeren bir atomdur; bu atom, her bir elektrona öz-tutarlı ortalama bir potansiyelde bir orbital atanarak modellenmekte olup, genel durumu çok elektronlu dalga fonksiyonunun antisimetrisi ile kısıtlanmaktadır.
Kapsam
Bu konu, birden fazla elektrona sahip atomların yaklaşık olarak ele alınmasını kapsamaktadır: merkezi alan yaklaşımı, perdelenme (screening) ve etkin çekirdek yükü, Hartree ve Hartree–Fock öz-tutarlı (self-consistent) yöntemleri, elektron konfigürasyonları ve atomik terimleri oluşturan açısal momentum eşleşme şemaları (LS ve jj). Ayrıca, Pauli dışlama ilkesinin ve alt kabuk enerjilerinin sıralamasının periyodik tablonun yapısını nasıl oluşturduğunu açıklamaktadır.
Temel sorular
- Birçok etkileşen elektrona sahip bir atom yaklaşık olarak nasıl tanımlanabilir?
- Merkezi alan yaklaşımı nedir ve perdelenme (screening) çekirdek yükünü nasıl değiştirmektedir?
- Pauli ilkesi ve alt kabuk enerjileri periyodik tablonun düzenini nasıl oluşturmaktadır?
- Bireysel elektron açısal momentumları toplam atomik terimlere nasıl eşleşmektedir?
Anahtar kavramlar
- Merkezi alan yaklaşımı
- Perdelenme (screening) ve etkin çekirdek yükü
- Slater determinantları ve değişim
- Hartree–Fock yöntemi
- LS ve jj eşleşmesi
- Elektron konfigürasyonları ve alt kabuklar
Temel kuramlar
- Merkezi alan yaklaşımı
- Her bir elektron, çekirdek ve diğer elektronlar nedeniyle küresel simetrik ortalama bir potansiyelde bağımsız olarak hareket ediyormuş gibi ele alınmakta, bu da çok cisimli problemi n ve l ile etiketlenmiş bir dizi tek elektronlu orbitale indirgemektedir.
- Hartree–Fock öz-tutarlı alan
- Ortalama potansiyel, antisimetrik (Slater-determinant) dalga fonksiyonlarından öz-tutarlı bir şekilde belirlenmekte olup, orbitaller kendilerini üreten alanı yeniden üretinceye ve elektron değişimine saygı duyuluncaya kadar iterasyon yapılmaktadır.
- Pauli ilkesi ve periyodik tablonun Aufbau'su
- Hiçbir iki elektron dört kuantum sayısının tamamını paylaşamaz; bu nedenle alt kabuklar artan enerji sırasına göre dolmakta ve dış kabuk konfigürasyonlarının periyodik tekrarı elementlerin kimyasal periyodisitesini açıklamaktadır.
Klinik önem
Çok elektronlu atomların elektronik yapısı, kimya ve malzeme biliminde kimyasal bağları ve reaktiviteyi belirlemektedir. Atomlar için geliştirilen öz-tutarlı alan yöntemleri ise, moleküller ve malzemeler tasarlamak için kullanılan hesaplamalı elektronik yapı yöntemlerinin kavramsal ataları olarak kabul edilmektedir.
Tarihçe
Mendeleev'in 1869 tarihli periyodik tablosu, elementleri kimyasal davranışlarına göre ampirik olarak düzenlemiştir. Fiziksel temeli, Bohr'un kabuk fikirleri ve belirleyici olarak, kabukların neden kapandığını açıklayan Pauli'nin 1925 dışlama ilkesi ile oluşmuştur. Hartree (1928) ve Fock (1930) daha sonra çok elektronlu atomların nicel hesaplamasını mümkün kılan öz-tutarlı alan yöntemlerini geliştirmişlerdir.
Öne çıkan isimler
- Wolfgang Pauli
- Douglas Hartree
- Vladimir Fock
- Dmitri Mendeleev
İlgili konular
Temel eserler
- pauli1925
- bransden2003
- cowan1981
Sıkça sorulan sorular
- Birçok atomda 4s alt kabuğu neden 3d'den önce dolmaktadır?
- Perdelenme (screening) ve orbital penetrasyonu nedeniyle, nötr atomlarda 4s orbitali 3d'den daha düşük enerjide bulunabilmekte ve bu nedenle önce dolmaktadır; bu sıralama yaklaşıktır ve birçok iyon için tersine dönmektedir, bu da kuralın iyi bilinen istisnalara sahip olmasının nedenidir.
- LS ve jj eşleşmesi arasındaki fark nedir?
- Daha hafif atomlar için geçerli olan LS (Russell–Saunders) eşleşmesi, tüm orbital momentumları ve tüm spinleri birleştirmeden önce birbirine eşlemektedir; güçlü spin-yörünge etkileşimine sahip ağır atomlar için daha doğru olan jj eşleşmesi ise her bir elektronun spinini ve orbital momentumunu önce eşlemektedir.