WikiDer > Атом гелия

Helium atom
Атом гелия
Atom.svg
Гелий-4
Имена
Систематическое название ИЮПАК
Гелий[1]
Идентификаторы
3D модель (JSmol)
ЧЭБИ
ChemSpider
Номер ЕС
  • 231-168-5
16294
КЕГГ
MeSHГелий
Номер RTECS
  • MH6520000
UNII
Номер ООН1046
Характеристики
Он
Молярная масса4.002602 г · моль−1
ВнешностьБесцветный газ
Точка кипения -269 ° С (-452,20 ° F, 4,15 К)
Термохимия
126,151-126,155 Дж К−1 моль−1
Фармакология
V03AN03 (ВОЗ)
Опасности
S-фразы (устарело)S9
Если не указано иное, данные для материалов приведены в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

А атом гелия является атом химического элемента гелий. Гелий состоит из два электрона связаны электромагнитная сила к ядру, содержащему два протона вместе с одним или двумя нейтронами, в зависимости от изотоп, удерживаемые сильная сила. В отличие от водород, решение в замкнутом виде Уравнение Шредингера для атома гелия не найдено. Однако различные приближения, такие как Метод Хартри – Фока, можно использовать для оценки основное состояние энергия и волновая функция атома.

Вступление

Принципиальная схема для Пара- и Ортогелия с одним электроном в основном состоянии 1s и одним возбужденным электроном.

Квантово-механическое описание атома гелия представляет особый интерес, поскольку это простейшая многоэлектронная система, которую можно использовать для понимания концепции квантовая запутанность. В Гамильтониан гелия, рассматриваемого как трехчастичная система из двух электронов и ядра, после выделения движения центра масс, может быть записано как

куда - приведенная масса электрона по отношению к ядру, и - векторы расстояния между электроном и ядром и . Ядерный заряд, 2 для гелия. В приближении бесконечно тяжелого ядра у нас есть и член массовой поляризации исчезает. В атомные единицы гамильтониан упрощается до

Важно отметить, что он работает не в нормальном пространстве, а в 6-мерном пространстве. конфигурационное пространство . В этом приближении (Приближение Паули) волновая функция второго порядка спинор с 4 компонентами , где индексы описывают проекцию спина обоих электронов (z-направление вверх или вниз) в некоторой системе координат.[2] Он должен подчиняться обычному условию нормализации . Этот общий спинор можно записать как матрицу 2x2 и, следовательно, также как линейная комбинация любого заданного базиса из четырех ортогональных (в векторном пространстве матриц 2x2) постоянных матриц с коэффициентами скалярной функции

в качестве . Удобный базис состоит из одной антисимметричной матрицы (с полным спином , соответствующий синглетное состояние)

и три симметричные матрицы (с полным спином , соответствующий триплетное состояние)

Легко показать, что синглетное состояние инвариантно относительно всех вращений (скалярная сущность), в то время как триплет может быть отображен в обычный пространственный вектор , с тремя компонентами

, и .

Поскольку все члены спинового взаимодействия между четырьмя компонентами в приведенном выше (скалярном) гамильтониане не учитываются (например, внешнее магнитное поле или релятивистские эффекты, подобно связь по угловому моменту), четверка Уравнения Шредингера можно решить самостоятельно.[3]

Вращение здесь вступает в игру только через Принцип исключения Паули, что для фермионов (как и электронов) требует антисимметрии относительно одновременный обмен спином и координатами

.

Парагелий тогда синглетное состояние с симметричный функция и ортогелий это триплетное состояние с антисимметричный функция . Если пренебречь членом электрон-электронного взаимодействия, обе пространственные функции можно записать как линейную комбинацию двух произвольных (ортогональной и нормированной)

одноэлектронные собственные функции :

или для особых случаев

из (оба электрона имеют одинаковые квантовые числа, только парагелий): Полная энергия (как собственное значение ) тогда для всех случаев (независимо от симметрии).

Это объясняет отсутствие состояние (с ) для ортогелия, откуда, следовательно, ) является метастабильным основным состоянием (состояние с квантовыми числами: главное квантовое число , общий спин , угловое квантовое число и полный угловой момент обозначается .)

Если член электрон-электронного взаимодействия включено, уравнение Шредингера неразделимо. Однако, если пренебречь, все состояния, описанные выше (даже с двумя одинаковыми квантовыми числами, например с ) нельзя записать как произведение одноэлектронных волновых функций: - волновая функция запутанныйНельзя сказать, что частица 1 находится в состояние 1 а другой в состояние 2, и измерения нельзя проводить на одной частице, не влияя на другую.

Тем не менее, довольно хорошее теоретическое описание гелия может быть получено в рамках приближений Хартри – Фока и Томаса – Ферми (см. Ниже).

Метод Хартри – Фока

Метод Хартри – Фока используется для множества атомных систем. Однако это всего лишь приближение, и сегодня для решения атомных систем используются более точные и эффективные методы. "проблема многих тел"для гелия и других малоэлектронных систем могут быть решены достаточно точно. Например, основное состояние гелия известен с точностью до пятнадцати цифр. В теории Хартри – Фока предполагается, что электроны движутся в потенциале, создаваемом ядром и другими электронами. В Гамильтониан для гелия с двумя электронами можно записать как сумму гамильтонианов для каждого электрона:

где невозмущенный гамильтониан нулевого порядка равен

а член возмущения:

электрон-электронное взаимодействие. ЧАС0 представляет собой просто сумму двух гидрогенных гамильтонианов:

куда

Eпя, собственные значения энергии и , соответствующие собственные функции водородного гамильтониана будут обозначать нормированную энергию собственные значения и нормированные собственные функции. Так:

куда

Пренебрегая членом электрон-электронного отталкивания, Уравнение Шредингера для пространственной части двухэлектронной волновой функции сведется к уравнению `` нулевого порядка ''

Это уравнение разделимо, и собственные функции можно записать в виде отдельных произведений водородных волновых функций:

Соответствующие энергии (в атомные единицы, далее а.е.):

Обратите внимание, что волновая функция

Обмен электронными метками соответствует той же энергии . Этот частный случай вырождение относительно обмена электронными метками называется обменное вырождение. Точные пространственные волновые функции двухэлектронных атомов должны быть либо симметричными, либо антисимметричный относительно перестановки координат и двух электронов. Тогда собственная волновая функция должна состоять из симметричных (+) и антисимметричных (-) линейных комбинаций:

Это происходит из Детерминанты Слейтера.

Фактор нормализует . Чтобы преобразовать эту волновую функцию в единое произведение одночастичных волновых функций, мы используем тот факт, что она находится в основном состоянии. Так . Итак исчезнет в соответствии с исходной формулировкой Принцип исключения Паули, в котором два электрона не могут находиться в одном состоянии. Следовательно, волновую функцию для гелия можно записать как

Где и использовать волновые функции для гамильтониана водорода. [а] Для гелия Z = 2 от

где E = −4 а.е. что составляет примерно -108,8 эВ, что соответствует потенциалу ионизации V = 2 а.е. (54,4 эВ). Экспериментальные значения E = −2,90 а.е. (≅ −79,0 эВ) и V = 0,90 а.е. (24,6 эВ).

Энергия, которую мы получили, слишком мала, потому что фактор отталкивания между электронами не учитывался, что приводит к повышению уровней энергии. По мере увеличения Z наш подход должен давать лучшие результаты, поскольку член электрон-электронного отталкивания будет становиться меньше.

До сих пор использовалось очень грубое приближение независимых частиц, в котором полностью опущен член электрон-электронного отталкивания. Расщепление гамильтониана, показанное ниже, улучшит результаты:

куда

и

V (r) - центральный потенциал, который выбирается таким образом, чтобы действие возмущения маленький. Конечное влияние каждого электрона на движение другого состоит в том, чтобы частично экранировать заряд ядра, поэтому простое предположение для V (r) будет

где S - постоянная экранирования, а величина Zе - эффективный заряд. Потенциал является кулоновским взаимодействием, поэтому соответствующие энергии отдельных электронов даются (в а.е.) как

а соответствующая волновая функция дается выражением

Если Zе составляла 1,70, что согласовало бы приведенное выше выражение для энергии основного состояния с экспериментальным значением E0 = −2,903 а.е. энергии основного состояния гелия. Поскольку в этом случае Z = 2, постоянная экранирования S = 0,30. Для основного состояния гелия в приближении среднего экранирования экранирующий эффект одного электрона на другой эквивалентен примерно электронного заряда.[5]

Метод Томаса – Ферми

Вскоре после того, как Шредингер разработал волновое уравнение, Модель Томаса – Ферми был развит. Теория функционала плотности используется для описания плотности частиц , и энергия основного состояния E (N), где N - число электронов в атоме. Если имеется большое количество электронов, уравнение Шредингера сталкивается с проблемами, потому что его очень трудно решить даже в основных состояниях атома. Именно здесь на помощь приходит теория функционала плотности. Теория Томаса – Ферми дает очень хорошее представление о том, что происходит в основных состояниях атомов и молекул с N электронами.

Функционал энергии для атома с N электронами определяется выражением:

Где

Электронная плотность должна быть больше или равна 0, , и выпуклый.

В функционале энергии каждый термин имеет определенное значение. Первый член описывает минимальную квантово-механическую кинетическую энергию, необходимую для создания электронной плотности. для N-числа электронов. Следующее слагаемое - притягивающее взаимодействие электронов с ядрами через кулоновский потенциал . Последний член - потенциальная энергия электрон-электронного отталкивания.[6]

Таким образом, гамильтониан для системы многих электронов можно записать:

Для гелия N = 2, поэтому гамильтониан определяется как:

Где

уступающий

Из метода Хартри – Фока известно, что без учета члена электрон-электронного отталкивания энергия равна 8E1 = −109 эВ.

Вариационный метод

Для получения более точной энергии вариационный принцип можно приложить к электрон-электронному потенциалу Vее используя волновую функцию

:

После интеграции результат будет следующим:

Это ближе к экспериментальному значению, но если использовать лучшую пробную волновую функцию, можно получить еще более точный ответ. Идеальной волновой функцией была бы такая, которая не игнорирует влияние другого электрона. Другими словами, каждый электрон представляет собой облако отрицательного заряда, которое в некоторой степени экранирует ядро, так что другой электрон фактически видит эффективный ядерный заряд Z, который меньше 2. Волновая функция этого типа определяется выражением:

Рассмотрение Z как вариационного параметра для минимизации H. Гамильтониан, использующий приведенную выше волновую функцию, имеет вид:

После расчета математического ожидания и Vее математическое ожидание гамильтониана становится:

Необходимо вычислить минимальное значение Z, поэтому взяв производную по Z и установив уравнение на 0, вы получите минимальное значение Z:

Это показывает, что другой электрон несколько экранирует ядро, уменьшая эффективный заряд с 2 до 1,69. Таким образом, мы получаем максимально точный результат:

Где снова E1 представляет собой энергию ионизации водорода.

Используя более сложные / точные волновые функции, энергия основного состояния гелия была вычислена все ближе и ближе к экспериментальному значению -78,95 эВ.[7] Вариационный подход был усовершенствован с очень высокой точностью для всеобъемлющего режима квантовых состояний G.W.F. Дрейк и его сотрудники[8][9][10] а также Дж.Д. Морган III, Джонатан Бейкер и Роберт Хилл[11][12][13] используя Hylleraas или Frankowski-Пекерис базисные функции. Нужно включить релятивистский и квантовая электродинамика поправки для получения полного согласия с экспериментом по спектроскопической точности.[14][15]

Экспериментальное значение энергии ионизации

Гелий первый энергия ионизации составляет -24,587387936 (25) эВ.[16] Это значение было получено экспериментальным путем.[17] Теоретическое значение второй энергии ионизации атома гелия составляет -54,41776311 (2) эВ.[16] Полная энергия основного состояния атома гелия составляет -79,005151042 (40) эВ,[16] или −2.90338583 (13) Атомные единицы а.е., что равно −5,80677166 (26) Ry.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ При n = 1, l = 0 и m = 0 волновая функция в сферически симметричном потенциале для водорода электрон .[4] В атомные единицы, то Радиус Бора равна 1, а волновая функция принимает вид .
  1. ^ «Гелий - Публичная химическая база данных PubChem». Проект PubChem. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ: Национальный центр биотехнологической информации.
  2. ^ П. Реннерт, Х. Шмидель, К. Вайсмантель. "Kleine Enzyklopädie Physik", VEB Bibliographisches Institut Leipzig, 1988, 192-194.
  3. ^ Л.Д. Ландау, Э.М.Лифшиц. "Lehrbuch der Theoretischen Physik", Bd. III (Quantenmechanik), Akademie-Verlag, Berlin 1971, Kap. IX, стр. 218
  4. ^ "Водородные волновые функции". Гиперфизика. Архивировано из оригинал 1 февраля 2014 г.
  5. ^ B.H. Брансден и С.Дж. Иоахейн Физика атомов и молекул 2-е издание Pearson Education, Inc.
  6. ^ http://www.physics.nyu.edu/LarrySpruch/Lieb.pdf
  7. ^ Дэвид И. Гриффитс Введение в квантовую механику Второе издание, 2005 г., Pearson Education, Inc.
  8. ^ Дрейк, G.W.F .; Ван, Цзун-Чао (1994). «Вариационные собственные значения для S-состояний гелия». Письма по химической физике. Elsevier BV. 229 (4–5): 486–490. Дои:10.1016/0009-2614(94)01085-4. ISSN 0009-2614.
  9. ^ Янь, Цзун-Чао; Дрейк, Г. В. Ф. (12 июня 1995 г.). «Высокоточный расчет расщеплений тонкой структуры в гелии и гелиевых ионах». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 74 (24): 4791–4794. Дои:10.1103 / Physrevlett.74.4791. ISSN 0031-9007. PMID 10058600.
  10. ^ Дрейк, Г. В. Ф. (1999). «Теория высокой точности атомарного гелия». Physica Scripta. IOP Publishing. T83 (1): 83–92. Дои:10.1238 / Physica.topical.083a00083. ISSN 0031-8949.
  11. ^ Дж. Д. Бейкер, Р. Хилл и Дж. Д. Морган III (1989), «Высокоточный расчет уровней энергии атома гелия», в материалах конференции AIP. 189, Релятивистские, квантово-электродинамические эффекты и эффекты слабого взаимодействия в атомах (AIP, Нью-Йорк), 123
  12. ^ Бейкер, Джонатан Д.; Freund, David E .; Хилл, Роберт Ниден; Морган, Джон Д. (01.02.1990). «Радиус сходимости и аналитическое поведение разложения 1 / Z». Физический обзор A. Американское физическое общество (APS). 41 (3): 1247–1273. Дои:10.1103 / Physreva.41.1247. ISSN 1050-2947. PMID 9903218.
  13. ^ Scott, T. C .; Lüchow, A .; Брессанини, Д .; Морган, Дж. Д. III (2007). «Узловые поверхности собственных функций атома гелия» (PDF). Phys. Ред. А. 75 (6): 060101. Bibcode:2007PhRvA..75f0101S. Дои:10.1103 / PhysRevA.75.060101. HDL:11383/1679348.
  14. ^ Drake, G. W. F .; Янь, Цзун-Чао (1992-09-01). «Энергии и релятивистские поправки для ридберговских состояний гелия: вариационные результаты и асимптотический анализ». Физический обзор A. Американское физическое общество (APS). 46 (5): 2378–2409. Дои:10.1103 / Physreva.46.2378. ISSN 1050-2947. PMID 9908396.
  15. ^ G.W.F. Дрейк (2006). "Справочник Springer по атомной, молекулярной и оптической физике", под редакцией Г.В.Ф. Дрейк (Спрингер, Нью-Йорк), 199-219. [1]
  16. ^ а б c Крамида, А., Ральченко, Ю., Ридер, Дж., И команда NIST ASD. "Данные об энергии ионизации в базе данных атомных спектров NIST". Гейтерсбург, Мэриленд: NIST.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  17. ^ Д. З. Кандула, К. Голе, Т. Дж. Пинкерт, В. Убакс и К. С. Э. Эйкема (2010). "Метрология гребенчатой ​​гребенки для экстремального ультрафиолета". Phys. Rev. Lett. 105 (6): 063001. arXiv:1004.5110. Bibcode:2010ПхРвЛ.105ф3001К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.105.063001. PMID 20867977. S2CID 2499460.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)