Введение к работе
з
Актуальность темы. В течение многих десятилетий уделяется большое внимание различным способам изучения природы фундаментальных физических процессов и исследованию электронной структуры вещества. С развитием технических средств повышается точность, и совершенствуются способы получения этой информации. Большое развитие получили способы рентгеновской и фотоэлектронной спектроскопии. Совершенствовались и способы квантово-механических расчетов. Различные способы этих расчетов для многоэлектронных атомов относятся к группе методов численных расчетов. Развитие компьютерной техники сегодня дает возможность в реальном времени получать информацию об атоме, используя статистические или компенсационные способы из известных методов. Существующие методы расчетов описаны в литературном обзоре этой работы. Последовательная теория атома основана на законах квантовой механики. Квантово-механическая теория объясняет устойчивость атома, необъяснимую в рамках классической физики, а также позволяет достаточно точно рассчитать для простейших атомов уровни энергии, вероятности переходов и т. д., с помощью различных приближённых методов можно рассчитывать характеристики сложных атомов. На основе квантовых представлений с единой точки зрения можно объяснить оптические, магнитные, электрические и химические свойства атомов, а также периодическую систему элементов Менделеева.
Теорию одноэлектронного атома в 1913 году представил Нильс Бор. В дальнейшем эту теорию развивали Дирак и статистическую модель развили Томас и Ферми. Сложность расчётов многоэлектронных атомов не позволяла решить задачу в аналитическом виде. Численные расчёты по методу самосогласованного поля развили Хартри - Фок. Однако отсутствие аналитического метода расчёта параметров атомов не позволяло развить физику атомов и определить закономерности энергетического строения
атомов. На момент постановки данной работы можно сказать, что была создана фундаментальная атомная физика, но отсутствовали основные концепции физики конкретных атомов.
Целью настоящей работы являлось развитие метода аналитического расчёта энергетической структуры многоэлектронных атомов первого -четвертого периодов. Это дало возможность исследовать закономерности зависимостей энергии атома, электронов различных оболочек атома и их энергии ионизации, скорости и радиусов орбит различных электронов от природы атомов, валентного состояния, наличия вакансий на внутренних оболочках и т.д. Кроме того, одной из задач было провести методическое сравнение данных полученных рассчитанным путем с экспериментом и значениями, полученными другими методами.
Обьектами исследования в работе служили атомы элементов 1-4 группы периодической таблицы элементов.
Научная новизна полученных результатов. В работе получил дальнейшее развитие метод аналитического расчета всех параметров многоэлектронных атомов. Этот метод аналитическим путем позволяет получать результаты, сравнимые и в значительной степени совпадающие с результатами, полученными экспериментально, и численными методами.
Впервые метод применен к элементам 1—4 группы периодической таблицы, получены энергетические характеристики и проведены исследования закономерностей изменения параметров атомов в рядах элементов: в периоде, в группах элементов периодической системы.
Исследования позволили установить, что: 1. Энергия отталкивания между электронами в 5-7 раз меньше чем энергия притяжения к ядру. Хотя при увеличении количества электронов N число пар межэлектронных взаимодействий увеличивается пропорционально Лг, однако энергия, притяжения к ядру все же перекрывает это возрастание в несколько раз, и межэлектронное взаимодействие не может привести к
нестабильности электронной конфигурации даже для атомов с большими атомными номерами.
-
Центрально-симметричная часть взаимодействия между электронами с высокой степенью точности определяет энергии межэлектронного взаимодействия для всех электронов. Однако не центрально-симметричные взаимодействия усиливаются по мере движения по периодам и начинают сказываться на энергиях электронов "па, nf" оболочек.
-
При расчете энергии атомов как совокупности энергии всех электронов целесообразно учитывать релятивистские эффекты, поскольку 80-90% всей энергии атома определяется энергией внутренних электронов (ls,2^). Учёт релятивистских эффектов существенен для получения, как энергии всего атома, так и энергий различных электронных конфигураций.
-
Радиусы внутренних оболочек постоянны и слабо зависят от количества электронов на наружных оболочках. Радиусы орбит наружных оболочек прямо пропорциональны количеству электронов на них.
Практическая ценность результатов.
В работе приводятся результаты расчета интегральных и парциальных
параметров атомов элементов 1-4 периода. Представлены численные и графические зависимости энергий атомов и отдельных электронов, находящихся на различных подоболочках, для различных электронных конфигураций атомов.
Разработана компьютерная программа, рассчитывающая и сохраняющая в памяти все параметры каждого электрона из рассмотренного множества электронных конфигураций атомов. Структура программы состоит из многоэкранного пользовательского интерфейса, расчетного модуля, основной системы сложноподчиненных таблиц X-Base структуры, системы дополнительных баз данных содержащих характеристики элементов периодической таблицы и модуля отчетов, генерирующего разнообразные
б SQL запросы для вывода данных на печать. С помощью средств Microsoft
Visual Basic программа запросов также интегрирует интересующие данные в
Microsoft Excel для дальнейшей обработки и графического представления
полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Метод расчета интегральных и парциальных ... характеристик
многоэлектронного атома, в котором в качестве основных данных используются только заряд ядра, число электронов на атомных орбитах и их квантовые числа.
-
Результаты расчета по предложенному методу параметров атомов 1-4 группы периодической системы.
-
Результаты анализа полученных зависимостей интегральных и парциальных характеристик атомов от различных состояний атомов.
Апробация работы. Результаты работы опубликованы в 3 статьях, докладывались и обсуждались на двух конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из основной части и приложения. Основная часть включает введение, 6 глав и выводы, изложена на 140 страницах текста, включая 162 таблицы, 193 рисунка и список литературы содержащий 53 позиции. Таблицы помещены в приложение, которое состоит из 40 страниц.