מבנית בחירה בכימיה פיזיקלית- מוליכים מיקרואלקטרוניים וחומרי צבע יחידה חמישית מוליכים מיקרואלקטרוניים וחומרי צבע הוצאת יסוד, טל: 03-5587990  www.yesod.co.il

פרק 1 מזיקוקי דינור אל המבנה האלקטרוני של האטום רותי שטנגר

האור- קרינה אלקטרומגנטית עד המאה התשע עשרה היו המדענים חלוקים בדעתם ביחס למהות האור. על פי ניוטון (Newton) - האור הוא זרם של חלקיקים קטנים הנעים בקווים ישרים במהירות גדולה מאוד. על פי הויגנס ( Huygens) - האור הוא גל המתפשט במרחב. האור עשוי מחלקיקים! האור הוא גל! הויגנס ניוטון

המודל הדואלי, המאחד את שתי התאוריות, מתייחס לקרינה האלקטרומגנטית (שהאור הנראה הוא חלק ממנה) כבעלת "זהות כפולה": הקרינה האלקטרומגנטית היא גם בעלת אופי גלי וגם בעלת אופי חלקיקי. ישנן תופעות של הקרינה האלקטרומגנטית שניתנות להסבר ע"פ המודל החלקיקי- ואחרות ע"פ המודל הגלי. ע"פ המודל החלקיקי, חלקיקי הקרינה נקראים פוטונים.

המודל הגלי של הקרינה האלקטרומגנטית λ אורך גל: המרחק בין שני שיאים בגל. נמדד ביחידות אורך שונות (מאנגסטרום לק"מ).  תדירות: מספר המחזורים שעוברים מול עיני המתבונן בזמן מסוים. נמדד ביחידות הרץ (1/sec). C מהירות האור: m/sec 3.108 h קבוע פלנק: j.sec 6.63.10-34 E אנרגיה של פוטון. נמדדת ביחידות של j. הקשר בין תדירות לאורך גל :  = c/λ כאשר: c - מהירות האור , λ - אורך גל ,  - תדירות אנרגיית הפוטון : E = h = hc/λ קיים יחס הפוך בין אורך גל ותדירות ובין אורך גל ואנרגיית הפוטון.

מעבר יחידות חשוב לשים לב כי בספקטרום של קרינה אלקטרומגנטית אורכי הגל נתונים בדרך כלל בננומטר (nm), ובמשוואה יש להציב ביחידות מטר. 1 nanometer = 1.0 × 10-9 meters מעבר יחידות: = 575nm = 575.10-9m לעיתים אורכי גל נתונים ביחידות של אנגסטרום (Å) 1 angstrom = 1.0 × 10-10 meters 1 nanometer = 10 angstroms התלמידים מתקשים לעיתים בחישובים עם חזקות של 10. ניתן להיעזר בדף העבודה: http://www.mkm-haifa.co.il/schools/ironig/chemistry/stuchio_wpp1.doc

1.80 m 1,800,000,000 nm

אורך גל עולה תדירות עולה ואנרגיית פוטון עולה

תרגילים בעמוד 12 2. שידורי הרדיו של תחנת "גלי צהל" משודרים בתדירות של Hz 96600. מה אורך הגל בקילומטרים של גלי רדיו אלו? 3. תחום האור הנראה הוא בין nm 300-700. מהו תחום התדירויות של האור הנראה? 4.  כלורופיל הוא חומר המצוי בעלים. חומר זה קולט אור באנרגיה של J/photon 19- 3.056.10. א. לאיזו תדירות מתאימה כמות אנרגיה זו? ב. מהו אורך הגל המתאים לערך התדירות שחישבתם בסעיף א'? ג. היעזרו בטבלת הצבעים הבאה ושערו האם ניתן לגדל צמחים ירוקים המכילים כלורופיל תחת מנורה אדומה בלבד?

האור הנראה אורך גל (nm) צבע 390-455 סגול 455-492 כחול 492-577 ירוק האור הנראה מכיל את כל צבעי הקשת. לכל צבע תחום אורכי גל מתאימים. אורך גל (nm) צבע 390-455 סגול 455-492 כחול 492-577 ירוק 577-597 צהוב 597-622 כתום 622-780 אדום ניתן ליצור אור לבן ע"י ערבוב שלושת צבעי היסוד של האור: אדום, כחול וירוק.

ספקטרום ספקטרום הוא סדרה של אורכי גל המסודרים בסדר עולה. כאשר מעבירים את האור הלבן דרך מנסרה או סריג, מקבלים ספקטרום רציף של אורכי גל. כאשר מעבירים את האור הנפלט מאטומים מסוימים דרך מנסרה או סריג, מקבלים ספקטרום בדיד, המורכב ממספר פסים בלבד. http://astro.u-strasbg.fr/~koppen/discharge/

הדגמה: יונים בלהבה

פליטה ממנורות

האור הנפלט ממנורת מימן כאשר מסתכלים על מנורת המימן דרך סריג מתגלה ספקטרום הפליטה של המימן בתחום הנראה (סדרת בלמר) כמו כן למימן קווי פליטה גם בתחום האינפרא אדום ובתחום האולטרה סגול.

ספקטרומטר מקופסת דגני בוקר ו-CD

ספקטרום רציף של נורת להט ספקטרום קווי של נורת פלואורסנט ניסוי אפשרי ברמה 1 ספקטרום של נורת LED אדומה

מדוע לאטום ספקטרום קווי ולא רציף? מדוע לכל סוג אטום ספקטרום פליטה שונה (קווים באורכי גל אחרים)?

מודל האטום של בוהר ע"פ מודל בוהר, האלקטרונים סובבים במסלולים סביב גרעין האטום. באטום המימן, במצב היסודי, האלקטרון נמצא במסלול הקרוב ביותר לגרעין. ניתן לעורר את האטום- ע"י קבלת אנרגיה האלקטרון עובר לרמה גבוהה יותר. כשהאלקטרון חוזר לרמה נמוכה יותר הוא פולט אנרגיה. האלקטרונים יכולים להימצא רק ברמות אנרגיה דיסקרטיות.

מהן רמות דיסקרטיות? תארו לעצמכם שאתם מטיילים על החוף ורואים ארמון חול שמישהו בנה. אתם מתקרבים לארמון ומגלים כי אתם יכולים להימצא רק במרחקים מסוימים ממנו: במרחק מטר אחד בדיוק מהארמון, במרחק שני מטרים בדיוק מהארמון, במרחק שלושה מטרים בדיוק מהארמון, וכו'. אינכם יכולים להימצא במרחק מטר וחצי מן הארמון ולא שני מטר ורבע. לא משנה כמה קשה תנסו, כוח מסתורי כלשהו יציב אתכם מיד רק באחד המרחקים המותרים. כמובן שבחיינו מצב כזה נראה אבסורדי, אך זהו המצב בסדרי גודל קטנים כמו האטום.

בליעה E0 + h = E1 אנרגיה מצב אלקטרוני E1 מעורר ראשון מצב אלקטרוני Eo היסודי Eo מצב אלקטרוני מעורר ראשון E1 E0 + h = E1

פליטה ספונטנית E0 = E1 - h אנרגיה E1 מעורר ראשון מצב אלקטרוני Eo היסודי Eo מעורר ראשון E1 E0 = E1 - h

אנרגיה E3 מעורר שלישי E2 מעורר שני מצב אלקטרוני E1 מעורר ראשון Eo היסודי Eo E1 E2 E3 מה הקשר בין הפרש האנרגיה בין הרמות לבין אורך הגל הנפלט? מדוע בספקטרום פליטה יותר קווים מאשר בספקטרום בליעה?

כאשר אלקטרון מעורר חוזר מרמת אנרגיה גבוהה nb לרמת אנרגיה נמוכה na הוא פולט אנרגיה המתאימה להפרש האנרגיה בין הרמות: h = R ( - ) na2 nb2 1 R = 2.18 . 10-18 joul

h = R ( - ) na2 nb2 1 R = 2.18 . 10-18 joul נוסחה זאת מתאימה לתוצאות נסיוניות של מספר מדענים: Lyman- שגילה את קווי הפליטה של אטום המימן בתחום האולטרה סגול 1na= Paschen- שגילה את קווי הפליטה של אטום המימן בתחום האינפרא אדום 3na= ו- Balmer- שגילה את קווי הפליטה של אטום המימן בתחום הנראה 2na=

h = R ( - ) na2 nb2 1 R = 2.18 . 10-18 joul תרגול חשבו את תדירות קו הספקטרום המתקבל במעבר אלקטרון מרמת האנרגיה החמישית לשנייה באטום המימן. מהו אורך הגל המתאים לקו זה? חשבו אותו בננומטר ובאנגסטרום. מהו צבעו של קו זה? h = R ( - ) na2 nb2 1 R = 2.18 . 10-18 joul

סעיף מבחינת הבגרות תשס"ח שאלה 14

ספקטרום פליטה של אטום המימן בתחום הנראה   ניסוי וירטואלי ספקטרום פליטה של אטום המימן בתחום הנראה http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/linesp16.swf    

הקשר בין מודל האטום לספקטרום הקווי במצב היסודי, האלקטרון באטום המימן נמצא ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר n=1. כאשר מקבל האלקטרון אנרגיה מסביבתו (למשל על ידי בליעת קרינה או חימום), האטום מעורר והאלקטרון עובר לרמות גבוהות יותר (n=2,3,...). כאשר האלקטרון חוזר מרמת אנרגיה גבוהה לנמוכה הוא פולט אנרגיה המתאימה להפרש האנרגיה בין הרמות. מערך רמות האנרגיה משתנה מאטום לאטום (הוא תלוי, למשל, במטען הגרעין ובמספר האלקטרונים), ולכן ההפרשים בין הרמות שונים וקווי הספקטרה המתקבלים שונים מיסוד ליסוד. המודל של בוהר התאים לאטום מימן ולאטומים דמויי מימן, אך לא לאטומים רבי אלקטרונים. המדידות של הספקטרה הקוויים של אטומים אחרים, לא התאימו לחישובים.

אך גם באטומים רבי אלקטרונים, ניתן לגרום לעירור אלקטרונים לרמות אנרגיה גבוהות יותר, ולראות פליטת אנרגיה עם חזרתם לרמות אנרגיה נמוכות יותר.

המודל הקוואנטי של האטום Quantum = מנה (ברבים: Quanta). הפיזיקאי מקס פלאנק הכניס מושג זה לשימוש מדעי בשנת 1900, כשטען כי מעבר אנרגיה בין חומר לקרינה יכול להתרחש במנות אנרגיה מסוימות בלבד. ע"פ המודל הקוונטי רמות האנרגיה שבהן נמצאים האלקטרונים אינן מסלולים אלא אורביטלים. אורביטל הוא איזור במרחב שבו ישנה הסתברות למצוא את האלקטרון. האורביטלים מחושבים בעזרת כלים מתמטיים של מכניקת הקוואנטים. ע"פ עקרון אי הוודאות של הייזנברג לא ניתן לדעת בבירור היכן נמצא האלקטרון, אלא רק מה ההסתברות למצוא אותו באזור מסוים במרחב סביב הגרעין. אורביטל מסלול

כיצד נראים אותם אורביטלים- האזורים במרחב שבהם ניתן למצוא אלקטרונים? ברמת האנרגיה הראשונה. הסמוכה ביותר לגרעין, נמצא אורביטל אחד בלבד- 1s. צורתו כדורית. האלקטרון יכול להימצא בתוך המרחב הכדורי סביב הגרעין, אך לא ניתן לדעת היכן בדיוק בתוך מרחב זה. http://www.uky.edu/~holler/html/s.html מרחק מן הגרעין הסתברות למציאת אלקטרון

ברמת האנרגיה השנייה ארבעה אורביטלים: 2s, 2px, 2py, 2pz מרחק מן הגרעין הסתברות למציאת אלקטרון

http://www.uky.edu/~holler/html/p.html px py pz x y z

ברמת האנרגיה השלישית גם חמישה אורביטלי d http://www.uky.edu/~holler/html/d.html

ברמת האנרגיה הרביעית גם שבעה אורביטלי f http://www.uky.edu/~holler/html/f.html

השוואת דיאגרמת האנרגיות של האורביטלים באטום המימן ובאטומים רבי אלקטרונים

דיאגרמת האנרגיות של האורביטלים עד 4p באטומים רבי אלקטרונים

הסימולים s,p,d,f הם סימונים ארכאיים מתחום הספקטרוסקופיה במאה התשע עשרה: s- sharp p- principal d- diffuse f- fundamental המינוחים התייחסו כנראה לתיאור קווים ספקטרליים שונים. לאחר מכן- אורביטלי g,h וכו' הם המשך אלפביתי.

כאשר נתונה דיאגרמת רמות אנרגיה עם נתוני האנרגיה, האנרגיות נתונות לעיתים כמספרים שליליים ולעיתים כמספרים חיוביים. הדבר תלוי בנקודת הייחוס: אם מחליטים שאנרגיה אפס שייכת לאנרגיית היינון (n=אינסוף), כל הרמות, כולל רמת היסוד, תהינה בעלות אנרגיה נמוכה יותר, כלומר שלילית. אם מחליטים שאנרגיה אפס שייכת לרמת היסוד, אז כל הרמות המעוררות תהינה בעלות אנרגייה גבוהה יותר, כלומר חיובית. בספר "כימיה מכל וחול" נהוגה השיטה הראשונה.

סידור האטומים בטבלה המחזורית הוא ע"פ אכלוס האלקטרונים באורביטלים. לדוגמה: אטום הנתרן נמצא בטור הראשון כי יש לו אלקטרון אחד באורביטל S. הוא נמצא בשורה השלישית שכן הרמה האחרונה שבה אלקטרונים היא S3. Na

כללי אכלוס אלקטרונים באורביטלים אטומיים האורביטלים מאוכלסים באלקטרונים בסדר אנרגטי עולה: מן האורביטל הנמוך באנרגיה לאורביטל הגבוה יותר באנרגיה. עיקרון פָּאוּלִי - בכל אורביטל ניתן לאכלס עד שני אלקטרונים (בספינים הפוכים). כלל הוּנְד - כאשר מאכלסים אלקטרונים באורביטלים שווי אנרגיה (אורביטלים מנוונים), מאכלסים אלקטרון אחד בכל אורביטל ורק לאחר מכן אלקטרון שני בספין הפוך. מהו ספין? האלקרון יכול להסתובב בשני כיווני סיבוב שונים הנקראים "ספין". הסיבוב יוצר שדה מגנטי וע"י מדידות של השדה המגנטי מודדים את הספין. אלקטרונים בעלי ספינים הפוכים מסומנים ע"י חיצים בכיוונים הפוכים. כלל האוטובוס!

דוגמאות לאכלוס אלקטרונים באטומים שונים Ne

רמות האנרגיה עבור אטום רב אלקטרונים רמה 3 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E רמה 2 רמה 1

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Helium 1s2

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Lithium 1s22s1

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Beryllium 1s22s2

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Boron 1s22s22p1

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Carbon 1s22s22p2

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Nitrogen 1s22s22p3

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Oxygen 1s22s22p4

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Fluorine 1s22s22p5

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Neon 1s22s22p6

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Sodium 1s22s22p63s1

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Magnesium 1s22s22p63s2

רמות האנרגיה Aluminum 1s22s22p63s23p1 E 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s

רמות האנרגיה Silicon 1s22s22p63s23p2 E 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s

רמות האנרגיה Phosphorus 1s22s22p63s23p3 E 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Sulfur 1s22s22p63s23p4

רמות האנרגיה Chlorine 1s22s22p63s23p5 E 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s

רמות האנרגיה 2px 2py 2pz 3px 3py 3pz 2s 1s 3s E Argon 1s22s22p63s23p6

? תרגול: רשמו את אכלוס האלקטרונים עבור האטום המסומן בחץ. רשמו את אכלוס האלקטרונים באטום הפלואור בשלוש צורות ייצוג שונות.

תודה!