ระดับพลังงานอะตอม (atomic energy level )

ระดั�บพลั�งงานระดั�บพลั�งงานอะตอมอะตอม

(ATOMIC ENERGY (ATOMIC ENERGY LEVEL LEVEL))

1

การปลั�อย (Emission) อ�เลั�กตรอนจากอะตอมที่��เป�นกลัางที่างไฟฟ�า• เก�ดัขึ้��นเองไม�ไดั (nonspontaneous)

อ�เลั�กตรอนจากอ�เลั�กตรอนจากอะตอมอะตอม

• จะเก�ดัขึ้��นเม"�อใช้ พลั�งงาน เพ�ยงพอ

2

งIE ม�ค่�าน อยกว่�า พลั�งงานในกระบว่นการ น�ว่เค่ลั�ยร'มาก

พลั�งงานต(�าสุ*ดัที่��ต องใช้ ในการดั�ง อ�เลั�กตรอน

ออกจากอะตอมในสุถานะแก-สุเร�ยกว่�า

e- ถ.กปลั�อยจากนอกน�ว่เค่ลั�ยสุ

พลั�งงานการแตกต�ว่เป�นไอออน(Ionization Energy, IE)

3

M(g) M+(g) +

e- IE1 M+

(g) M2+(g) + e- IE2

I EI E11

< I E < I E 2 2 < <

. . . < I E . . . < I EZZ

M(Z-1)+(g) MZ+

(g) + e- IEZ

4

IE IE เปร�ยบเที่�ยบก�บจ(านว่นอ�เลั�กตรอนที่��ถ.กเปร�ยบเที่�ยบก�บจ(านว่นอ�เลั�กตรอนที่��ถ.ก ดั�งออกไป ดั�งออกไป (z-a) (z-a) ขึ้องธาต* H (Z = 1)

ถ�ง Ca (Z = 20)

5

IE เปร�ยบเที่�ยบก�บ Z-a สุ(าหร�บ ธาต*ซึ่��งม� Z สุ.ง

Ion

izati

on

en

erg

y (

sch

em

ati

c)6

งIE ม�แนว่โน มที่��จะปรากฎ เป�นกลั*�มขึ้อง

2 6 10, , หร"อ 14

e- หร"อ 2 c เม"�อ c เป�นเลัขึ้ค่��(1, 3, 5, 7…)

งIE เป�นลั�กษณะเฉพาะขึ้อง อะตอม แลัะ

เก�ดัขึ้��นเป�นหม.�ซึ่��งซึ่(�าก�น

7

จากขึ้ อม.ลั IE ต�ค่ว่ามไดั เป�น 2 แบบจ(าลัอง

ที่*กอะตอมประกอบดั ว่ยอ�เลั�กตรอนซึ่��งจ�ดัเร�ยงต�ว่อย.�รอบน�ว่เค่ลั�ยสุ

เป�นกลั*�ม กลั*�มลัะ 2, 6, 10, 14

อ�เลั�กตรอน

1. แบบจ(าลัองกลั*�ม อ�เลั�กตรอน

(Electron Group Model)

8

อะตอมประกอบดั ว่ย ช้��น (shells) หร"อหมอก

(clouds) ขึ้องประจ*ลับ จ�ดัเร�ยง ต�ว่รอบน�ว่เค่ลั�ยสุ

อย�างหนาแน�น

2. แบบจ(าลัองช้��น ขึ้องประจ*ลับ

(Negative Shell Model)

ช้��นเหลั�าน��ม� ว่�ตถ*ดั�บที่��ต องใช้ ใน

การสุ�งเค่ราะห' e- แต�ลัะช้��นสุามารถบรรจ*ประจ* สุ*ที่ธ�ขึ้อง 2, 6, 10, 14 e-

9

เร�ยกว่�า ออร'บ�ที่�ลั(orbitals)

บร�เว่ณที่��ว่�างที่��ถ.กค่รอบค่รองโดัย e-

10

การว่�ดัพลั�งงานกระต* นโดัยใช้ แสุง

พลั�งงานกระต* น(Excitation

Energy)

11

เม"�อแสุงเก�ดัอ�นตรก�ร�ยา(interaction) ก�บอะตอมใน

สุถานะแก-สุ จะ ดั.ดักลั"น(absorb) พลั�งงาน ที่(าให เก�ดั

ม�ค่�าต(�ากว่�า ม�ค่�าต(�ากว่�า IE IE มากมาก

• การแตกต�ว่เป�นไอออน(Ionization)

• การกระต* น(Excitation)

ใช้ พลั�งงาน ใช้ พลั�งงาน= IE= IE

ใช้ พลั�งงาน ใช้ พลั�งงาน = = พลั�งงานกระต* นพลั�งงานกระต* น

12

The absorption, or excitation, The absorption, or excitation, spectrum of atomic hydrogen spectrum of atomic hydrogen (H).(H).

13

14

• จาก spectrum แสุดังว่�า H atom สุามารถดั.ดักลั"น พลั�งงานซึ่��งไม�มากพอที่��จะที่(าให เก�ดั ionization

• พลั�งงานที่��ถ.กดั.ดักลั"นจะเก�บสุะสุมอย.�ในอะตอม ที่(าให พลั�งงานขึ้องอะตอมเพ��มขึ้��นในปร�มาณค่งที่��• จากค่�า E แสุดังว่�า การ

เปลั��ยนแปลังเหลั�าน�� เก��ยว่ขึ้ องก�บ ประจ*ลับนอก

น�ว่เค่ลั�ยสุ หร"อ e-

การดั.ดักลั"นพลั�งงาน อาจอธ�บายโดัยแบบจ(าลัองที่��งสุองไดั ดั�งน��

15

1. แบบจ(าลัองกลั*�มอ�เลั�กตรอน พลั�งงานที่��ถ.กดั.ดักลั"น ที่(าให e- เค่ลั"�อนที่��จาก

กลั*�มพลั�งงานต(�า งกลั*�มพลั�งงานสุ.ง2. แบบจ(าลัองช้��นขึ้องประจ*ลับ

พลั�งงานที่��ถ.กดั.ดักลั"นกระต* นช้��นที่��ม�ประจ*ช้��นหน��งที่(าให ช้��นน��นเค่ลั"�อนที่��ห�างน�ว่เค่ลั�ยสุเพ��มขึ้��น

สุเปกตร�มขึ้องสุเปกตร�มขึ้องอะตอมอะตอม

(Atomic (Atomic Spectra)Spectra)

การที่ดัลัองเพ"�อศึ�กษา emission spectrum ขึ้องอะตอม

16

A line A line emission emission spectrum (Balmer spectrum (Balmer

series) of hydrogen series) of hydrogen atoms.atoms.

17

แต�ลัะ emission line สุอดัค่ลั องก�บพลั�งงานขึ้องabsorption line แสุดังว่�า ระดั�บ

พลั�งงานที่��เก��ยว่ขึ้ องก�บการดั.ดักลั"น = ระดั�บพลั�งงานที่��เก��ยว่ขึ้ องก�บการค่าย

5. Pfund series

Emission spectrum of Emission spectrum of hydrogen in infrared to hydrogen in infrared to

ultraviolet region.ultraviolet region. 1. Lyman series 2 . Balmer

series 3 . Paschen series

4.BBBBBBBB series

18

สุเปกตร�มขึ้องอะตอมเสุม"อนสุเปกตร�มขึ้องอะตอมเสุม"อนไฮโดัรเจนไฮโดัรเจน

(Hydrogenlike (Hydrogenlike Spectra)Spectra)

เสุ นสุเปกตร�มเก�ดัที่��พลั�งงานสุ.งขึ้��น เม"�อ Z เพ��มขึ้��น

He+ , Li2+ , Be3 + , …. เป�นHydrogenlike atomให สุเปกตร�มค่ลั ายสุเปกตร�มขึ้องไฮโดัรเจน

โดัยม�การเลั"�อนที่��ขึ้องพลั�งงาน(energy shifts)

19

ถ า A, B เป�นน�ว่เค่ลั�ยสุที่��ม�ประจ*ZA แลัะ ZB EnA, EnB = พลั�งงานขึ้องเสุ นสุเปกตร�มที่�� สุมน�ยก�นในสุเปกตร�ม

ขึ้อง A แลัะ B

20

EnA

EnB

ZA

ZB

2

พลั�งงานขึ้องเสุ นสุเปกตร�ม (E) ค่(านว่ณไดั จาก

Z = เลัขึ้อะตอม

K = ค่�าค่งที่��ขึ้องร�ดัเบอร'ก = 1312.3 kJ mol-1

E = พลั�งงานขึ้องเสุ นสุเปกตร�ม (kJ mol-1)

n/ = n + 1, n + 2, n + 3, ….

= การเปลั��ยนแปลังพลั�งงานขึ้องอะตอม

Rydberg Rydberg equationequation

n = 1, 2, 3, 4 หร"อ 5 ( ขึ้��นก�บ series)

21

E = KZ2 1

n/ 2

1 n2

-

n = 1 สุ(าหร�บ Lyman series

n/ = n + 1, n + 2, n + 3, ….

2 สุ(าหร�บ Balmer series 3 สุ(าหร�บ Paschen series 4 สุ(าหร�บ Brackett series

5 สุ(าหร�บ Pfund series

22

ระดั�บพลั�งงานขึ้องอะตอมเสุม"อนระดั�บพลั�งงานขึ้องอะตอมเสุม"อนไฮโดัรเจนไฮโดัรเจน

(Hydrogenlike Energy (Hydrogenlike Energy Levels)Levels)

23

1 n/ 2-E = KZ2 1

n2

En - En/ = KZ2 - KZ2 1 n2

1 n/ 2

เปลั��ยนแปลังระหว่�างเปลั��ยนแปลังระหว่�างการกระต* นการกระต* น

ไม�ไม�เปลั��ยนแปลังเปลั��ยนแปลัง

+ E/

En = KZ2 1 n2

+ E/

En/ = KZ2 1

n/2

แผนภาพแสุดังระดั�บพลั�งงานขึ้องแผนภาพแสุดังระดั�บพลั�งงานขึ้องไฮโดัรเจนอะตอมไฮโดัรเจนอะตอม

(Energy Level Diagrams of (Energy Level Diagrams of Hydrogen Atoms)Hydrogen Atoms)

24

n = 6

n = 1

En

erg

y

n = 2

n = 3

n = 4

n = 5

n = 7

ง

The energy

levels in the

hydrogen atom and

the vario us emissi on series.

Each

energy level

correspon ds to the

energy ass ociated wi

th the mot ion of an e

lectron in an orbit, a

s postulat ed by Boh

r

Lyman seriesLyman series

Balmer Balmerseriesseries

PaschenPaschenseriesseries

BrackettBrackett

seriesseries

The various series in atomic hydrogen emission spectrum. SeriesSeries n n n n// Spectrum regionSpectrum region

Balmer 2 3 4 5

B BBBBBB BBB B ltraviolet

Pfund 5 6, 7, 8,… Infrared

BBBBBBB 3 4 5 6, , ,…BBBBBBBBBrackett 4 5 6, ,

7,… Infrared

Lyman 1 2, 3, 4,… Ultraviolet

25

เสุ นสุเปกตร�มจะแยก (splitting)

เป�นเสุ นสุเปกตร�ม ที่��ม�พลั�งงานต�างก�นเลั�กน อยจ(านว่นมาก

อะตอมเสุม"อนไฮโดัรเจนในอะตอมเสุม"อนไฮโดัรเจนใน สุนามไฟฟ�า แลัะสุนามแม� สุนามไฟฟ�า แลัะสุนามแม�เหลั�กเหลั�ก

ขึ้นาดัขึ้องการแยก จะเพ��มขึ้��นตาม ขึ้นาดัขึ้อง

สุนามที่��ใช้

26

สุ�ว่นหน��งเก�ดัจาก interaction ขึ้อง e- ก�บน�ว่เค่ลั�ยสุ

แลัะแต�ลัะไอโซึ่โที่ปเก�ดัinteraction น��ไม�เที่�าก�น

เสุ นสุเปกตร�มขึ้องไฮโดัรเจนอะตอม ที่��275.5 kJ mol-1 (H ) ในสุนามไฟฟ�า

แรงสุ.ง (Stark effect)

27

สุ�ญลั�กษณ'ขึ้องระดั�บพลั�งงาน

(Energy - Level Notation) ระดั�บพลั�งงานแต�ลัะระดั�บ ม�ปร�มาณพลั�งงานค่งที่�� ระดั�บพลั�งงานหน��งต�างจากอ�กระดั�บ

หน��งดั ว่ย ปร�มาณพลั�งงานค่งที่��

( เร�ยกว่�าquanta)

จ�งเร�ยกระดั�บ พลั�งงานว่�า

ระดั�บค่ว่อนต�ม (quantum levels)

28

A mechanical analogy for the emission processes.

29

ระดั�บพลั�งงานขึ้องอ�เลั�กตรอน อธ�บายไดั ดั ว่ย เลัขึ้ค่ว่อนต�ม

(Quantum Numbers) 4 ช้น�ดัค่"อ n = เลัขึ้ค่ว่อนต�มม*ขึ้สุ(าค่�ญ (principal

quantum number) l = เลัขึ้ค่ว่อนต�มเช้�งออร'บ�ที่�ลั (orbital quantum number)

m = เลัขึ้ค่ว่อนต�มเช้�งแม�เหลั�ก(magnetic quantum number)

= 0, 1, 2, … , n-1 ซึ่��งแที่นดั ว่ยs, p, d, f, g, h,...

s = เลัขึ้ค่ว่อนต�มเช้�งสุป>น (spin quantum number) = ง1/2

= 0, 1, 2, ... , l

30

Energy-level diagram for Energy-level diagram for hydrogen atom and hydrogen-like hydrogen atom and hydrogen-like

ionsions

31

n = 1

n = 2

1s

n = 3

En

erg

y

2s 2p

3s 3p 3d

n = ง0

Energy - level diagram for Energy - level diagram for many - electron atomsmany - electron atoms

32

1sn = 1

3p3d

3s

4p

4s

n = 2

2s

2p

n = 3

n = 4

En

erg

y

แผนภาพระดั�บแผนภาพระดั�บพลั�งงานพลั�งงาน

ขึ้องอะตอมในสุถานะอะตอมในสุถานะ แก-สุ แก-สุ 1. เม"�อประจ*ในน�ว่เค่ลั�ยสุเพ��มขึ้��น ระดั�บ พลั�งงาน

จะเลั"�อน (shift) ไปย�งพลั�งงานต(�าลัง 2. ถ าจ(านว่น e- มากกว่�า 1 ระดั�บพลั�งงานที่*กระดั�บ นอกจาก n = 1 จะเก�ดัการแยก (splitting) 3. สุ(าหร�บอะตอมที่��ม�จ(านว่น e- เที่�าก�น

การแยกจะม� ร.ปแบบเดั�ยว่ก�น แต�ที่*กระดั�บเลั"�อนไปย�งพลั�งงาน ต(�าลัง เม"�อประจ*ในน�ว่เค่ลั�ยสุเพ��มขึ้��น

33

จ(านว่นอ�เลั�กตรอนในออร'บ�ที่�ลั จ(านว่นอ�เลั�กตรอนในออร'บ�ที่�ลั

สุอดัค่ลั องก�บขึ้ อม.ลั IE ซึ่��งอ�เลั�กตรอน จะจ�บกลั*�มเป�น

261014, , , อ�เลั�กตรอน

ออร'บ�ที่�ลัออร'บ�ที่�ลั ss p p d d f f g g h h

จ(านว่นอ�เลั�กตรอน 2 6 10 14 18 22

34

จ(านว่นออร'บ�ที่�ลั 1 3 5 7 9 11

พลั�งงานสุ�มพ�ที่ธ' พลั�งงานสุ�มพ�ที่ธ' (E) (E) ขึ้อง ขึ้อง atomic atomic orbitals orbitals เป�นฟ?งก'ช้�นขึ้อง เป�นฟ?งก'ช้�นขึ้อง ZZ

35

The orderThe order in which in which electron fill atomic electron fill atomic orbitals orbitals

36