Where did Rutherford leave us...

Ernest, we have a problem...• Rutherford’s model didn’t explainchemical properties

• Needed a new model

• Bohr proposed that electrons orbit in distinct energy levels

• Can’t be between levels, but can jump from one to another

• Quantum:  amount of energy needed for an electron to jump from one energy level to anotherNiels Bohr 

(1885‐1962)

What the…?

• Scientists found that they can’t base a

model for tiny little atoms on the 

rules for normal‐sized stuff

• Atoms and subatomic particles act differently– Particles act like particles…and waves

– Double‐slit experiment…wow.

• Can only know (calculate) probability that electrons are at a given location

Atoms = ogres = neighbors = onions...

Quantum Mechanical Model:  determines allowed energies an electron can have and where electrons are likely to be

Energy levels:  “layers” where electrons – Numbered– Each one gets bigger than previous– Can have sublevels

Atomic orbitals:  region in space in which there’s a high probability of finding an electron– In sublevels– Given letters

Sublevels and orbitalss sublevel

– one spherical orbital

– one in every energy level

p sublevel– three dumbell‐shaped orbitals

– in all energy levels ≥ 2

Sublevels and orbitals

d sublevel– five crazy shapes

– in all energy levels ≥ 3

f sublevel– seven shapes that are really too tough to draw

– in all energy levels ≥ 4

Back to the ogres/onions...

• Each energy level gets one more sublevel

Back to the ogres/onions...

• Each energy level gets one more sublevel

• Each energy level can hold more electrons

• Max of 2 e‐ / orbital

• # of e‐ = n2 x 2

Where do electrons live?

Electron’s address• Energy level

• Sublevel

• Orbital

• Spin

Your address• State

• Town

• Street

• House

Need a system for electron addresses...

Keeping track of all the sublevels• Sublevels addressed by the number of their energy level and letter of sublevel

Example:  1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d

• Still two more parts to address (orbital and spin)...

Electron configuration: arrangement of electrons in an atom in its ground state

Orbital diagram: illustrates arrangement and spin of electrons

Rules for Electron Configurations

Aufbau principle: electrons occupy orbitals of lowest energy first

Electrons (like Jamarcus Russell) are lazy

Orbitals in same sublevel are same energy

Rules for Electron Configurations

Pauli Exclusion Principle• Orbital can hold maximum of two electrons

(Two per seat on the bus)

• If two electrons in an orbital, must be opposite spins

• Two possible spins: up and down– clockwise and counter‐clockwise

Rules for electron configurations

Hunds Rule• Orbitals in same sublevel are same energy

• Electrons fill orbitals of same energy so they maximize same spin

• Students don’t pair up in a seat until they have to

Putting the rules to use...• One electron for every proton

• Periodic table arranged by atomic number

• Typewriter method:  start at H, read left to right, and stop at the element you’re configuring

HHeLiBeBCNOFNe

12345678910

Atomic # 1s 2s 2p

1s1

1s2

1s2 2s1

1s2 2s2

1s2 2s2 2p1

1s2 2s2 2p2

1s2 2s2 2p3

1s2 2s2 2p4

1s2 2s2 2p5

1s2 2s2 2p6

Orbital DiagramElectron 

Configuration# of  e‐ in orbitalNot 

Exponent

Mg

S

1s2 2s2 2p6 3s2

1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑Ti 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓↑↓↑↓ ↑↓↑ ↑Se 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p4

4s is slightly lower energy than 3d, so 

it fills first.Just follow the table from left to right.

I’ve seen the light!• Light made of electromagnetic waves

– Considered to be quanta of energy called photons

– Has properties of particles and waves

Amplitude

Crest

Trough

Wavelength (λ): distance between crests

Greek letter lambda

Light and the Universal Speed Limit

Frequency (ν):  number of wave cycles to pass a given point per unit of time

SI unit is Hertz (Hz), or s‐1

Two are related by the formula:Since c is constant, λ and ν are inversely proportional

If one is big, the other is small

Greek letter nu

speed of light 3 x 108 m/s

A little light math…

• If you know either λ or ν, can solve for other

• Example:  What is the wavelength of a wave with frequency equal to 5.10 x 1014 Hz?

Rearrange

The Electromagnetic Spectrum

I’ve seen the light!• Light made of electromagnetic waves

– Considered to be quanta of energy called photons

– Has properties of particles and waves

Amplitude

Crest

Trough

Wavelength (λ): distance between crests

Greek letter lambda

Light and the Universal Speed Limit

Frequency (ν):  number of wave cycles to pass a given point per unit of time

SI unit is Hertz (Hz), or s‐1

Two are related by the formula:Since c is constant, λ and ν are inversely proportional

If one is big, the other is small

Greek letter nu

speed of light 3 x 108 m/s

A little light math…

• If you know either λ or ν, can solve for other

• Example:  What is the wavelength of a wave with frequency equal to 5.10 x 1014 Hz?

Rearrange

The Electromagnetic Spectrum

The Electromagnetic Spectrum• Energy of light is related to frequency

Higher the frequency, more energy

• Visible light is small slice in the middle of spectrumRed is lowest ν (longest λ) that the human eye “sees”

So what does this have to do with electrons?

Ground state:  electrons in lowest possible energy level

Excited state:  atoms absorb energy and electrons move to higher energy levels– Once energy source is removed, electrons drop back down to ground state

– Emit quanta of energy in the form of…

light (sometimes visible)

Ouch!  That’s hot!

Wow, I’m excited!

Oooo, pretty light!

Reading between the linesAtomic emission spectrum:  pattern of discrete lines given off by electrons dropping to ground state– Energy levels are quantized

– Each line represents a frequency (energy) that is directly proportional to the energy lost by the electron

– No two elements haveexactly the samespectrum

• Each drop an electron makes relates to a specific frequency of energy

• Not all is in visible range, but always at discrete frequencies (not continuous)

Reading between the lines