Je pense que votre question implique une autre question (qui est également mentionnée dans certains commentaires ici), à savoir: Pourquoi toutes les valeurs propres d'énergie des états ont-elles un nombre quantique de moment angulaire différent $ \ ell $ mais avec le même nombre quantique principal $ n $ ( par exemple , $ \ mathrm {3s} $ , $ \ mathrm {3p} $ , $ \ mathrm {3d} $ ) dégénéré dans l'atome d'hydrogène mais non dégénéré en atomes multi-électrons? Bien que AcidFlask
ait déjà donné une bonne réponse (principalement sur la partie non-dégénérescence) J'essaierai de l'éléborer de mon point de vue et de donner quelques informations supplémentaires.Je diviserai ma réponse en trois parties: La première abordera le $ \ ell $ -degeneracy dans l'atome d'hydrogène, dans la seconde j'essaierai d'expliquer pourquoi cette dégénérescence est levée, et dans la troisième, j'essaierai de comprendre pourquoi les états $ \ mathrm {3s} $ sont plus faibles en énergie que $ \ mathrm { 3p} $ états (qui sont à leur tour moins énergétiques que les états $ \ mathrm {3d} $ ).
$ \ ell $ -degeneracy des valeurs propres d'énergie des atomes d'hydrogène
L'électron non relativiste dans un atome d'hydrogène éprouve un potentiel qui est analogue au Problème de Kepler connu de la mécanique classique. Ce potentiel (aka potentiel de Kepler) a la forme $ \ frac {\ kappa} {r} $ , où $ r $ est la distance entre le noyau et l'électron, et $ \ kappa $ est une constante de proportionnalité. Or, la physique sait que les symétries d'un système conduisent à des quantités conservées ( Théorème de Noether).
Par exemple de la symétrie de rotation du potentiel de Kepler suit la conservation du moment cinétique, qui est caractérisé par $ \ ell $ . Mais alors que la longueur du vecteur de moment angulaire est fixée par $ \ ell $ , il existe encore différentes possibilités pour l'orientation de son $ z $ -composant, caractérisé par le nombre quantique magnétique $ m $ , qui sont tous énergétiquement équivalents tant que le Le système maintient sa symétrie de rotation. Ainsi, la symétrie de rotation conduit à la $ m $ -degeneracy des valeurs propres d'énergie pour l'atome d'hydrogène. math-container "> $ \ ell $ -degeneracy des valeurs propres d'énergie des atomes d'hydrogène peut également être retracée à une symétrie, le $ SO (4) $ span > symétrie La symétrie du système $ SO (4) $ n'est pas une symétrie géométrique comme celle explorée précédemment, mais une symétrie dite dynamique qui découle de la forme du Schroedinger équation pour le Kepler potentiel (il correspond à des rotations dans un espace cartésien à quatre dimensions. Notez que ces rotations ne fonctionnent pas dans un certain espace physique.) Cette symétrie dynamique conserve le vecteur Laplace-Runge-Lenz $ \ hat {\ vec {M} } $ et on peut montrer que cette quantité conservée conduit au spectre d'énergie $ \ ell $ -indépendant avec $ E \ propto \ frac {1} {n ^ 2} $ . (Une dérivation détaillée, bien qu'en allemand, peut être trouvée ici.)
Pourquoi le $ \ ell $ -dégénérescence des valeurs propres d'énergie soulevées dans les atomes multiélectroniques?
Comme la $ m $ -degeneracy des valeurs propres d'énergie de l'atome d'hydrogène peut être brisée en détruisant la symétrie sphérique du système, par exemple , par en appliquant un champ magnétique, la dégénérescence $ \ ell $ est levée dès que le potentiel apparaissant dans l'opérateur Hamilton s'écarte du $ \ frac {\ kappa} {r} $ C'est certainement le cas pour les atomes multiélectroniques puisque les électrons extérieurs sont protégés de l'attraction nucléaire de Coulomb par les électrons internes et la force de l'écran dépend de leur (D'autres facteurs, comme le spin et les effets relativistes, conduisent également à une levée de la $ \ ell $ -degeneracy même dans l'atome d'hydrogène.)
Pourquoi les états ont-ils les mêmes valeurs $ n $ mais inférieures à $ \ ell $ ont des valeurs propres d'énergie plus faibles?
Deux effets sont i mportant ici:
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La force centrifuge met une "pénalité d'énergie" sur les états avec un moment cinétique plus élevé. $ {} ^ {1} $ Ainsi, une valeur $ \ ell $ plus élevée implique une force centrifuge plus forte, qui éloigne les électrons du noyau.
- Le concept de force centrifuge peut être vu dans l'équation radiale de Schroedinger pour la partie radiale $ R (r) $ de la fonction d'onde $ \ Psi (r, \ theta, \ varphi) = R (r) Y _ {\ ell, m} (\ theta, \ varphi) $ \ begin {équation} \ bigg (\ frac {- \ hbar ^ {2}} {2 m _ {\ mathrm {e}}} \ frac {\ mathrm {d} ^ {2}} {\ mathrm {d} r ^ {2}} + \ underbrace {\ frac {\ hbar ^ {2}} {2 m _ {\ mathrm {e}}} \ frac {\ ell (\ ell + 1)} {r ^ {2}}} - \ frac {Z e ^ {2}} {2 m _ {\ mathrm {e}} r} - E \ bigg) r R (r) = 0 \ end {équation} \ begin {équation}
{} ^ {= ~ V ^ {\ ell} _ {\ mathrm {cf}} (r)} \ qquad \ qquad \ end {equation} La partie radiale subit une $ \ ell $ -dépendant potentiel $ V ^ {\ ell} _ {\ mathrm {cf}} (r) $ qui pousse le électrons loin du noyau.
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La répulsion du noyau (répulsion de Pauli), en revanche, met une "pénalité d'énergie" sur États avec un moment cinétique inférieur. C'est parce que la répulsion du noyau n'agit qu'entre électrons avec le même moment cinétique $ {} ^ {1} $ . Il agit donc plus fort sur les états de moment angulaire faible car il y a plus de coques de noyau avec un moment angulaire inférieur.
- La répulsion de noyau est due à la condition que les fonctions d'onde doivent être orthogonales, ce qui une conséquence du principe de Pauli. Parce que les états avec des valeurs $ \ ell $ différentes sont déjà orthogonaux par leur mouvement angulaire, il n'y a pas de répulsion de Pauli entre ces états. Cependant, les états ayant la même valeur $ \ ell $ ressentent un effet supplémentaire de l'orthogonalisation de base.
La $ \ ell $ -degeneracy "accidentelle" de l'atome d'hydrogène peut être décrite comme un équilibre entre la force centrifuge et la répulsion du noyau, qui agissent toutes deux contre l'attraction nucléaire de Coulombat. Dans l'atome réel, l'équilibre entre la force centrifuge et la répulsion du noyau est rompu.Les électrons du noyau sont contractés par rapport aux électrons externes car il y a moins de coquilles d'électrons internes filtrant l'attraction nucléaire des coquilles du noyau que des électrons de valence.
Comme les couches électroniques internes sont plus contractées que les couches externes, la répulsion du noyau est affaiblie tandis que les effets dus à la force centrifuge restent inchangés. La répulsion de noyau réduite stabilise à son tour les états avec des moments angulaires inférieurs, c'est-à-dire des valeurs $ \ ell $ inférieures. Ainsi, les états $ \ mathrm {3s} $ sont plus faibles en énergie que $ \ mathrm {3p} $ états qui sont à leur tour plus faibles en énergie que les états $ \ mathrm {3d} $ .
Bien sûr, il faut être prudent lors de l'utilisation des résultats de l'atome d'hydrogène pour décrire les effets dans les atomes multiélectroniques comme AcidFlask
mentionné. Mais comme seule une description qualitative est nécessaire, cela peut être justifié.
J'espère que cette réponse un peu longue sera utile. Si quelque chose ne va pas avec mes arguments, je serai heureux de discuter de ces points.