Najlepsza odpowiedź
Próbuję odpowiedzieć na pierwszą część bez przechodzenia do efektu relatywistycznego. Energia elektronu jest kwantowana. Dlatego gdy pochłonie określone kwanty energii, przeskakuje na wyższy poziom, który odpowiada nowej ilości energii w elektronie, która wygląda mniej więcej tak. Wraca do swojego stanu podstawowego, gdy traci energię w postaci promieniowania.
Efekt relatywistyczny występuje, gdy prędkość elektron osiąga prawie prędkość światła. Orbitując po torze eliptycznym, elektron zbliża się do jądra. Aby uniknąć wpadnięcia, przyśpiesza prawie do prędkości światła. Teraz, jako teoria względności, elektron nabiera masy, więc nie narusza kosmicznego ograniczenia prędkości. Ze względu na zmianę momentu pędu jego główna oś przesuwa się, a orbita wygląda mniej więcej tak.
Ta zmiana energii można prześledzić w subtelnej strukturze widm atomowych. Nazywa się to precesją elektronu. Inne efekty relatywistyczne to stan ciekły rtęci w temperaturze pokojowej oraz złoty kolor złota i cezu. Efekt relatywistyczny kontroluje również liczbę elementów. Wraz ze wzrostem liczby protonów, jego przyciąganie do elektronu 1s rośnie, dlatego elektron 1s musi poruszać się z dużą prędkością, aby uniknąć wpadnięcia. Zgodnie z teorią względności prędkość ta nie może przekraczać prędkości światła, więc maksymalna liczba protonów element, który może posiadać, wynosi 137.
Edycja: „Zdaję sobie sprawę, że ze względu na ograniczenie liczby znaków w pytaniu pojawiła się niejasność i inna pytanie całkowicie. W Lantanowcach elektrony znajdują się na orbicie 6d zamiast 4f. Mój nauczyciel chemii powiedział, że to z powodu efektu relatywistycznego. Czy możesz to wyjaśnić? ”
W Lanthanides istnieje orbital 5d, a nie 6d, aw Lanthanum nie ma orbitalu 4f. 5d = 5 + 2 = 7 i 4f = 4 + 3 = 7, 4f ma niższą zasadę Liczba kwantowa niż (4 ), 4f należy wypełnić najpierw przed 5d. Wraz ze wzrostem ładunku jądrowego zachodzi skomplikowany zestaw interakcji między elektronami a jądrem, a także między samymi elektronami. To właśnie ostatecznie tworzy konfigurację elektroniczną. Zatem konfiguracja elektronów zmienia się wraz ze wzrostem liczby atomowej, co narusza zasadę Madelunga / aufbau. Przy wyższej liczbie atomowej konfiguracja elektronów zależy od ostatecznej stabilności atomu, która zależy od efektywnego ładunku jądrowego na elektronach. Dla La (liczba atomowa 57) 5d jest bardziej stabilne niż 4f. Więc wchodzi 5d przed 4f.
Elektrony 6s poruszają się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, penetrując elektrony ekranujące w pobliżu jądra, dając początek efektowi relatywistycznemu. Zwiększa to jego pęd, co zmniejsza długość fali, a tym samym skraca się o 6 sekund więcej niż 5d. Ten relatywistyczny efekt wraz ze słabym ekranowaniem przez 4f powoduje skurcz lantanowca, myślę, że o tym mówił twój nauczyciel.
P.S. Podobny efekt znajdziesz w elementach typu d-block. Elektrony najpierw wchodzą w 4s, a następnie 3d , ponieważ w 4s jest więcej miejsca niż w 3d, więc odpychanie elektronów jest mniejsze. Ale kiedy wejdą w 3d, są bardziej przyciągane do jądra niż elektrony 4s. Więc przechodząc do stanu utlenienia, powinny stracić ostatni wprowadzony elektron , ale uwalniają elektron z 4s, a nie z 3d, naruszając w ten sposób zasadę „ostatni na wejściu” . Chodzi o stabilność pojedynczego atomu. Reguła n + l po prostu podaj przybliżenie, które jest poprawne do poziomu wapnia, zweryfikowanego przez analizę spektralną. Tak więc liczy się ostateczna stabilność. Nie jestem ekspertem w tej dziedzinie. Wymagana jest mądra opinia.
Odpowiedź
Elektrony w atomach istnieją w stanach o określonej energii. Ponad stanami podstawowymi są dalsze poziomy energii, w których może znajdować się elektron, a jeśli foton o odpowiedniej energii zostanie zaabsorbowany przez atom, to elektron może zmienić stany i będzie wtedy znajdował się w wyższym, który jest zwykle bardzo krótki – żył bez jakiejś niezwykłej pomocy, a elektron wraca do stanu podstawowego bezpośrednio lub poprzez stan pośredni iz każdym przejściem emituje zdjęcie energii odpowiadającej tej różnicy energii. Nie ma to nic wspólnego z teorią względności, chociaż to ona napędzała mechanikę kwantową we wczesnych stadiach. Te przejścia i towarzyszące im fotony dają początek charakterystycznym widmom.
Nieporozumienie może polegać na tym, że w przypadku niektórych przejść, takich jak widmo pierwiastka takiego jak złoto, nie jest dokładnie tym, czego ludzie oczekują, a chemicy obliczeniowi twierdzą, że kolor złota wynika z efektu relatywistycznego, gdzie wewnętrzne elektrony poruszają się tak szybko, że mają nominalną prędkość, która stanowi między innymi znaczną część c, czyli prędkość światła. (Zauważ, że elektron NIE ma trajektorii w klasycznym sensie; ta „prędkość” jest właśnie tym, czym musiałby mieć energię kinetyczną zgodną z twierdzeniem o wirialu.) Argumentem jest, jeśli ekstrapolujesz tak nazywany terminem przesiewowym dla miedzi i srebra, wtedy złoto jest wyjściem. Moim zdaniem jest to błędne – ekstrapolacja z dwóch punktów jest błędna, a ja opublikowałem artykuł, który pokazuje, dlaczego tak jest. To jest obecnie poza twoim poziomem zainteresowania. Moim zdaniem powinieneś do tego wrócić, gdy masz więcej fizyki za pasem i na obecnym poziomie zaakceptuj, że widma pierwiastków są po prostu spowodowane przejściami energii między stanami stacjonarnymi, które są określane przez mechanikę kwantową, a konkretnie Równanie Schrodingera. Generalnie energie są zbyt niskie, aby teoria względności była ważna.