ระดับพลังงานอะตอม (ATOMIC ENERGY LEVEL )

1. 1 ระดับพลังงานอะตอม (ATOMIC ENERGY LEVEL)

2. 2 อิเล็กตรอนจากอะตอม การปล่อย (Emission) อิเล็กตรอนจากอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้า • เกิดขึ้นเองไม่ได้ (nonspontaneous) จะเกิดขึ้นเมื่อใช้พลังงานเพียงพอ

3. e- ถูกปล่อยจากนอกนิวเคลียส 3 พลังงานต่ำสุดที่ต้องใช้ในการดึงอิเล็กตรอน ออกจากอะตอมในสถานะแก๊ส เรียกว่า พลังงานการแตกตัวเป็นไอออน (Ionization Energy, IE) ง IE มีค่าน้อยกว่า พลังงานในกระบวนการ นิวเคลียร์มาก

4. M(g) M+(g) + e-IE1 M+(g) M2+(g) + e-IE2 M(Z-1)+(g) MZ+(g) + e- IEZ 4 IE1 < IE2 < . . . < IEZ

5. 5 IE เปรียบเทียบกับจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกดึงออกไป (z-a) ของธาตุ H (Z = 1) ถึง Ca (Z = 20)

6. 6 Ionization energy (schematic) IE เปรียบเทียบกับ Z-a สำหรับธาตุซึ่งมี Z สูง

7. 7 ง IE เป็นลักษณะเฉพาะของอะตอม และ เกิดขึ้นเป็นหมู่ซึ่งซ้ำกัน ง IE มีแนวโน้มที่จะปรากฎเป็นกลุ่มของ 2, 6, 10 หรือ 14 e- หรือ2c เมื่อ c เป็นเลขคี่ (1, 3, 5, 7…)

8. 8 จากข้อมูล IE ตีความได้เป็น 2 แบบจำลอง 1. แบบจำลองกลุ่มอิเล็กตรอน (Electron Group Model) ทุกอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่ง จัดเรียงตัวอยู่รอบนิวเคลียสเป็นกลุ่ม กลุ่มละ 2, 6, 10, 14 อิเล็กตรอน

9. 2. แบบจำลองชั้นของประจุลบ (Negative Shell Model) 9 อะตอมประกอบด้วย ชั้น (shells) หรือหมอก (clouds) ของประจุลบ จัดเรียงตัวรอบนิวเคลียส อย่างหนาแน่น ชั้นเหล่านี้มีวัตถุดิบที่ต้องใช้ใน การสังเคราะห์ e- แต่ละชั้นสามารถบรรจุประจุ สุทธิของ 2, 6, 10, 14 e-

10. 10 บริเวณที่ว่างที่ถูกครอบครองโดย e- เรียกว่าออร์บิทัล (orbitals)

11. พลังงานกระตุ้น (Excitation Energy) การวัดพลังงานกระตุ้นโดยใช้แสง 11

12. ใช้พลังงาน = IE ใช้พลังงาน = พลังงานกระตุ้น 12 เมื่อแสงเกิดอันตรกิริยา (interaction) กับอะตอมในสถานะแก๊ส จะ ดูดกลืน (absorb)พลังงาน ทำให้เกิด การแตกตัวเป็นไอออน (Ionization) การกระตุ้น (Excitation) มีค่าต่ำกว่า IE มาก

13. 13 The absorption, or excitation, spectrum of atomic hydrogen (H).

14. 14 จาก spectrum แสดงว่า H atom สามารถดูดกลืน พลังงานซึ่งไม่มากพอที่จะทำให้เกิด ionization พลังงานที่ถูกดูดกลืนจะเก็บสะสมอยู่ในอะตอม ทำให้พลังงานของอะตอมเพิ่มขึ้นในปริมาณคงที่ จากค่า DE แสดงว่า การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ เกี่ยวข้องกับ ประจุลบนอกนิวเคลียส หรือ e-

15. 15 การดูดกลืนพลังงาน อาจอธิบายโดยแบบจำลอง ทั้งสองได้ดังนี้ 1. แบบจำลองกลุ่มอิเล็กตรอน พลังงานที่ถูกดูดกลืน ทำให้ e- เคลื่อนที่จาก กลุ่มพลังงานต่ำ ฎ กลุ่มพลังงานสูง 2. แบบจำลองชั้นของประจุลบ พลังงานที่ถูกดูดกลืนกระตุ้นชั้นที่มีประจุชั้นหนึ่ง ทำให้ชั้นนั้นเคลื่อนที่ห่างนิวเคลียสเพิ่มขึ้น

16. การทดลองเพื่อศึกษา emission spectrum ของอะตอม 16 สเปกตรัมของอะตอม (Atomic Spectra)

17. A line emission spectrum (Balmer series) of hydrogen atoms. 17 แต่ละ emission line สอดคล้องกับพลังงานของ absorption line แสดงว่าระดับพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการดูดกลืน = ระดับพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการคาย

18. 18 Emission spectrum of hydrogen in infrared to ultraviolet region. 1.Lyman series 4. Brackett series 2. Balmer series 5. Pfund series 3. Paschen series

19. 19 สเปกตรัมของอะตอมเสมือนไฮโดรเจน (Hydrogenlike Spectra) He+, Li2+, Be3+, …. เป็น Hydrogenlike atom ให้สเปกตรัมคล้ายสเปกตรัมของไฮโดรเจน โดยมีการเลื่อนที่ของพลังงาน (energy shifts) เส้นสเปกตรัมเกิดที่พลังงานสูงขึ้นเมื่อ Z เพิ่มขึ้น

20. 2 DEnA ZA ZB = DEnB 20 ถ้า A, B เป็นนิวเคลียสที่มีประจุ ZAและ ZB DEnA, DEnB = พลังงานของเส้นสเปกตรัมที่ สมนัยกันในสเปกตรัมของ A และ B

21. 1 n2 1 n/ 2 DE = KZ2 - 21 พลังงานของเส้นสเปกตรัม(DE) คำนวณได้จาก Rydberg equation DE = พลังงานของเส้นสเปกตรัม (kJ mol-1) = การเปลี่ยนแปลงพลังงานของอะตอม K = ค่าคงที่ของริดเบอร์ก = 1312.3 kJ mol-1 Z = เลขอะตอม n = 1, 2, 3, 4 หรือ 5 (ขึ้นกับ series) n/ = n + 1, n + 2, n + 3, ….

22. 22 n = 1 สำหรับ Lyman series 2 สำหรับ Balmer series 3 สำหรับ Paschen series 4 สำหรับ Brackett series 5 สำหรับ Pfund series n/ = n + 1, n + 2, n + 3, ….

23. DE = KZ2 - 1 n/ 2 1 n2 1 n/2 1 n2 1 n2 1 n/ 2 En - En/ = KZ2 - KZ2 En/ = KZ2 En = KZ2 + E/ + E/ ไม่เปลี่ยนแปลง เปลี่ยนแปลงระหว่างการกระตุ้น 23 ระดับพลังงานของอะตอมเสมือนไฮโดรเจน (Hydrogenlike Energy Levels)

24. 24 แผนภาพแสดงระดับพลังงานของไฮโดรเจนอะตอม (Energy Level Diagrams of Hydrogen Atoms) ฅ n = 7 n = 6 n = 5 n = 4 Brackett series n = 3 Paschen series Energy n = 2 Balmer series n = 1 Lyman series The energy levels in the hydrogen atom and the various emission series. Each energy level corresponds to the energy associated with the motion of an electron in an orbit, as postulated by Bohr

25. Series n n/ Spectrum region 25 The various series in atomic hydrogen emission spectrum. Lyman 1 2, 3, 4,… Ultraviolet Balmer 2 3, 4, 5,… Visible and Ultraviolet Paschen 3 4, 5, 6,… Infrared Brackett 4 5, 6, 7,… Infrared Pfund 5 6, 7, 8,… Infrared

26. 26 อะตอมเสมือนไฮโดรเจนในสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก เส้นสเปกตรัมจะแยก (splitting) เป็นเส้นสเปกตรัม ที่มีพลังงานต่างกันเล็กน้อยจำนวนมาก ขนาดของการแยก จะเพิ่มขึ้นตาม ขนาดของ สนามที่ใช้ ส่วนหนึ่งเกิดจาก interaction ของ e-กับนิวเคลียส และแต่ละไอโซโทปเกิด interaction นี้ไม่เท่ากัน

27. 27 เส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนอะตอม ที่ 275.5 kJ mol-1 (H) ในสนามไฟฟ้าแรงสูง (Stark effect)

28. 28 สัญลักษณ์ของระดับพลังงาน (Energy - Level Notation) ระดับพลังงานแต่ละระดับ มีปริมาณพลังงานคงที่ (เรียกว่า quanta) ระดับพลังงานหนึ่งต่างจากอีกระดับหนึ่งด้วย ปริมาณพลังงานคงที่ จึงเรียกระดับพลังงานว่า ระดับควอนตัม (quantum levels)

29. 29 A mechanical analogy for the emission processes.

30. = 0, 1, 2, ... , l 30 ระดับพลังงานของอิเล็กตรอน อธิบายได้ด้วย เลขควอนตัม (Quantum Numbers)4 ชนิดคือ n = เลขควอนตัมมุขสำคัญ (principal quantum number) l = เลขควอนตัมเชิงออร์บิทัล (orbital quantum number) = 0, 1, 2, … , n-1 ซึ่งแทนด้วย s, p, d, f, g, h,... m = เลขควอนตัมเชิงแม่เหล็ก (magnetic quantum number) s = เลขควอนตัมเชิงสปิน (spin quantum number) = ฑ 1/2

31. n = ฅ 0 n = 3 3d 3p 3s n = 2 2p Energy 2s n = 1 1s 31 Energy-level diagram for hydrogen atom and hydrogen-like ions

32. 4p n = 4 3d 4s 3p n = 3 3s 2p n = 2 Energy 2s n = 1 1s 32 Energy - level diagram for many - electron atoms

33. 33 แผนภาพระดับพลังงาน ของอะตอมในสถานะแก๊ส 1. เมื่อประจุในนิวเคลียสเพิ่มขึ้น ระดับพลังงาน จะเลื่อน (shift) ไปยังพลังงานต่ำลง 2. ถ้าจำนวน e- มากกว่า 1 ระดับพลังงานทุกระดับ นอกจาก n = 1 จะเกิดการแยก (splitting) 3. สำหรับอะตอมที่มีจำนวน e- เท่ากัน การแยกจะมี รูปแบบเดียวกัน แต่ทุกระดับเลื่อนไปยังพลังงาน ต่ำลง เมื่อประจุในนิวเคลียสเพิ่มขึ้น

34. ออร์บิทัล s p d f g h 34 จำนวนอิเล็กตรอนในออร์บิทัล จำนวนออร์บิทัล 1 3 5 7 9 11 จำนวนอิเล็กตรอน 2 6 10 14 18 22 สอดคล้องกับข้อมูล IE ซึ่งอิเล็กตรอนจะจับกลุ่มเป็น 2, 6, 10, 14 อิเล็กตรอน

35. 35 พลังงานสัมพัทธ์ (E) ของ atomic orbitals เป็นฟังก์ชันของ Z

36. 36 The order in which electron fill atomic orbitals