Nguyên tử nhiều electron và Bảng tuần hoàn

Các nguyên tử nhiều electron được mô tả bằng cách coi mỗi electron chuyển động trong một trường trung bình của hạt nhân và các electron khác, và việc điền đầy các obitan thu được tuân theo nguyên lý Pauli sẽ tái tạo lại bảng tuần hoàn.

Definition

Nguyên tử nhiều electron là một nguyên tử chứa hai hoặc nhiều electron mà lực đẩy lẫn nhau của chúng ngăn cản một nghiệm chính xác; nó được mô hình hóa bằng cách gán cho mỗi electron một obitan trong một thế tự hợp trung bình, với trạng thái tổng thể bị ràng buộc bởi tính phản đối xứng của hàm sóng nhiều electron.

Scope

Chủ đề này bao gồm cách xử lý gần đúng các nguyên tử có nhiều hơn một electron: xấp xỉ trường trung tâm, hiệu ứng chắn và điện tích hạt nhân hiệu dụng, các phương pháp tự hợp Hartree và Hartree–Fock, cấu hình electron, và các sơ đồ ghép mômen động lượng (LS và jj) tạo ra các trạng thái nguyên tử. Nó giải thích cách nguyên lý loại trừ Pauli và thứ tự năng lượng của các phân lớp xây dựng cấu trúc của bảng tuần hoàn.

Core questions

• Làm thế nào có thể mô tả gần đúng một nguyên tử có nhiều electron tương tác?
• Xấp xỉ trường trung tâm là gì và hiệu ứng chắn làm thay đổi điện tích hạt nhân như thế nào?
• Nguyên lý Pauli và năng lượng phân lớp tạo ra bố cục của bảng tuần hoàn như thế nào?
• Các mômen động lượng electron riêng lẻ ghép nối thành các trạng thái nguyên tử tổng thể như thế nào?

Key concepts

• Xấp xỉ trường trung tâm
• Hiệu ứng chắn và điện tích hạt nhân hiệu dụng
• Định thức Slater và trao đổi
• Phương pháp Hartree–Fock
• Ghép nối LS và jj
• Cấu hình electron và các phân lớp

Key theories

Xấp xỉ trường trung tâm

Mỗi electron được coi là chuyển động độc lập trong một thế trung bình đối xứng cầu do hạt nhân và các electron khác gây ra, giảm bài toán nhiều vật thể thành một tập hợp các obitan một electron được ký hiệu bằng n và l.

Trường tự hợp Hartree–Fock

Thế trung bình được xác định một cách tự hợp từ các hàm sóng phản đối xứng (định thức Slater), lặp lại cho đến khi các obitan tái tạo lại trường tạo ra chúng và tôn trọng sự trao đổi electron.

Nguyên lý Pauli và sự hình thành của bảng tuần hoàn

Không có hai electron nào có thể chia sẻ cả bốn số lượng tử, vì vậy các phân lớp được điền theo thứ tự năng lượng tăng dần, và sự lặp lại định kỳ của các cấu hình lớp vỏ ngoài giải thích tính tuần hoàn hóa học của các nguyên tố.

Clinical relevance

Cấu trúc điện tử của các nguyên tử nhiều electron quyết định liên kết hóa học và khả năng phản ứng trong hóa học và khoa học vật liệu, và các phương pháp trường tự hợp được phát triển cho nguyên tử là tiền thân về mặt khái niệm của các phương pháp cấu trúc điện tử tính toán được sử dụng để thiết kế phân tử và vật liệu.

History

Bảng tuần hoàn năm 1869 của Mendeleev đã sắp xếp các nguyên tố một cách thực nghiệm theo hành vi hóa học. Cơ sở vật lý của nó xuất hiện cùng với ý tưởng về lớp vỏ của Bohr và, một cách quyết định, nguyên lý loại trừ Pauli năm 1925, giải thích tại sao các lớp vỏ lại đóng. Hartree (1928) và Fock (1930) sau đó đã phát triển các phương pháp trường tự hợp giúp tính toán định lượng các nguyên tử nhiều electron trở nên khả thi.

Key figures

• Wolfgang Pauli
• Douglas Hartree
• Vladimir Fock
• Dmitri Mendeleev

Seminal works

• pauli1925
• bransden2003
• cowan1981

Frequently asked questions

Tại sao phân lớp 4s được điền trước 3d trong nhiều nguyên tử?

Do hiệu ứng chắn và sự xuyên thấu obitan, obitan 4s có thể có năng lượng thấp hơn 3d trong các nguyên tử trung hòa, vì vậy nó được điền trước; thứ tự này là gần đúng và đảo ngược đối với nhiều ion, đó là lý do tại sao quy tắc này có những ngoại lệ nổi tiếng.

Sự khác biệt giữa ghép nối LS và jj là gì?

Ghép nối LS (Russell–Saunders), có giá trị đối với các nguyên tử nhẹ hơn, ghép nối tất cả các mômen quỹ đạo lại với nhau và tất cả các spin lại với nhau trước khi kết hợp chúng; ghép nối jj, chính xác hơn đối với các nguyên tử nặng có tương tác spin–quỹ đạo mạnh, ghép nối spin và mômen quỹ đạo của từng electron trước.