Concetti Chiave
- Il momento angolare di spin richiede un quarto numero quantico, il numero quantico di spin elettronico (ms), che può assumere due valori: più o meno un mezzo.
- Un elettrone genera un campo magnetico a causa del suo spin, mentre una coppia di elettroni con spin opposti non lo genera.
- Negli atomi multielettronici, le repulsioni tra elettroni e la schermatura del nucleo influenzano la distribuzione e le energie elettroniche.
- Gli orbitali elettronici negli atomi multielettronici sono simili a quelli idrogenoidi, ma richiedono considerazioni aggiuntive per la carica nucleare effettiva e la sequenza energetica.
- Il modello quantomeccanico per atomi multielettronici impone limiti sul numero di elettroni per orbitale e una sequenza energetica più complessa.
Il momento angolare di spin
La meccanica ondulatoria fornisce tre numeri quantici con i quali possiamo descrivere gli orbitali elettronici. Occorre però un quarto numero quantico. 2 scienziati proposero che alcune caratteristiche fino ad ora inspiegabili riguardanti il comportamento dello spettro dell’idrogeno diventassero comprensibili assumendo che un elettrone intorno al suo asse.
Esistono 2 possibilità di rotazione dello spin o spin elettronico. Queste due possibilità richiedono un quarto numero quantico, il numero quantico di spin elettronico (ms).
Il numero quantico di spin può assumere due valori: il valore più un mezzo (indicato anche con il simbolo ↑) oppure meno un mezzo (indicato con il simbolo ↓). Il valore di ms non dipende dagli altri numeri quantici.
Quanto detto per il quarto numero quantico è stato verificato attraverso un esperimento. L'esperimento è il seguente: viene vaporizzato dell'argento in un forno e un fascio di questi atomi di argento viene fatto passare attraverso un campo magnetico disomogeneo. Il fascio viene diviso in due. La spiegazione è la seguente
- Un elettrone, a causa del suo spin, genera un campo magnetico.
- Una coppia di elettroni con spin opposti non genera un campo magnetico.
Nel caso degli atomi multielettronici interviene un nuovo fattore: le mutue repulsioni tra gli elettroni. Dal momento che le posizioni degli elettroni non sono note, le repulsioni elettroniche possono essere solo approssimate, il che vuol dire che le soluzioni dell'equazione d'onda sono anch'esse approssimate. L'approccio che si usa consiste nel considerare gli elettroni, uno alla volta, dell'intorno definito dal nucleo e dagli altri elettroni. Così facendo, gli orbitali elettronici ottenuti sono dello stesso tipo di quelle ricavati nel caso dell'atomo di idrogeno; questi orbitali vengono detti idrogenoidi.
Negli atomi multielettronici è necessario considerare che:
- La forza di attrazione del nucleo sugli elettroni è aumenta all’aumentare della carica del nucleo;
- Le energie degli elettroni si abbassano all’aumentare del numero atomico dell’atomo.
È necessario poi considerare che gli elettroni presenti negli orbitali più vicini al nucleo creano uno scudo, ovvero schermano il nucleo per gli elettroni più lontani. Riducono quindi la capacità del nucleo di attirare gli elettroni più lontani, ovvero riducono l’efficacia della carica nucleare effettiva (Zeff).
La presenza di più di un elettrone richiede l'estensione del modello quantomeccanico imponendo:
- Un limite sul numero di elettroni permessi in un orbitale;
- Una più complessa sequenza delle energie degli orbitali.
Domande da interrogazione
- Qual è il ruolo del quarto numero quantico nella descrizione degli orbitali elettronici?
- Come è stato verificato sperimentalmente il concetto di spin elettronico?
- Quali fattori devono essere considerati negli atomi multielettronici rispetto agli orbitali elettronici?
Il quarto numero quantico, noto come numero quantico di spin elettronico (ms), è necessario per spiegare alcune caratteristiche del comportamento dello spettro dell'idrogeno. Esso può assumere due valori, +1/2 o -1/2, e non dipende dagli altri numeri quantici.
Il concetto di spin elettronico è stato verificato attraverso un esperimento in cui un fascio di atomi di argento vaporizzato viene fatto passare attraverso un campo magnetico disomogeneo, risultando nella divisione del fascio in due a causa del campo magnetico generato dallo spin degli elettroni.
Negli atomi multielettronici, è necessario considerare le repulsioni tra elettroni, l'aumento della forza di attrazione del nucleo con l'aumento della carica nucleare, l'abbassamento delle energie elettroniche con l'aumento del numero atomico, e l'effetto di schermatura degli elettroni più vicini al nucleo sugli elettroni più lontani.
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