Квантовые числа

Характеристики электронов и атомных орбиталей определяется четырьмя квантовыми числами: главным, орбитальным, магнитным и спиновым.

Главное квантовое число (n) имеет значения натурального ряда чисел (1, 2, 3,…). Оно определяет энергию электрона в атоме. Состояние электронов в атоме с тем или иным значением главного квантового числа называется энергетическим уровнем.

Например, если электрон характеризуется главным квантовым числом n = 1, он находится на первом энергетическом уровне, если n = 2, то на втором и т.д.

Состояние атома с наименьшей энергией электронов называется нормальным (основным), а остальные, с более высокими уровнями энергии – возбужденными. Переходы между основным состоянием и возбужденными проявляются в линейчатых спектрах атомов (рис. 3). Эти переходы квантовая механика объясняет скачкообразными изменениями размеров атомных орбиталей. Из этого следует, что главное квантовое число определяет не только энергию электрона, но и его размеры.

Орбитальное квантовое число (l) определяет распределение электронного облака в околоядерном пространстве, т.е. форму атомной орбитали. Значения l зависят от главного квантового числа: l = 0, 1, 2,… (n– 1). Каждому значению орбитального квантового числа соответствует определённое символическое (буквенное) обозначение и форма атомной орбитали. Установлено, что в наиболее сложных атомах могут быть четыре вида атомных орбиталей, которые обозначаются буквами s(l = 0), p(l = 1), d(l = 2) и f(l = 3).

При n = 1 орбитальное квантовое число может иметь лишь одно значение: l = 0. При n = 2 орбитальное квантовое число имеет два значения (l = 0 и l = 1), при n = 3 – три значения (0, 1 и 2), на четвёртом – четыре (0, 1, 2 и 3). Иначе говоря, на первом энергетическом уровне (n = 1) электрон имеет лишь одну форму орбитали (s), на втором – две (s, p), на третьем – три (s, p, d), на четвёртом – четыре (s, p, d и f) Таким образом, начиная со второго, энергетические уровни многоэлектронного атома «расщепляются» на подуровни.

Наличие энергетических подуровней подтверждается тем, что в спектрах сложных атомов каждая линия представляет набор двух, трех и более близко расположенных линий (рис. 4). Но в одноэлектронных частицах (H, He⁺, Li²⁺ и т.п.) энергия подуровней одинакова; в квантовой механике говорят, что в этом случае подуровни вырождены.

Магнитное квантовое число (m_l) определяет ориентацию атомных орбиталей в пространстве. Оно имеет значения от – l до + l, а всего 2 l + 1 значений. Так, при l = 0 магнитное квантовое число имеет одно значение, равное нулю, при l = 1 – три значения (–1, 0, +1),при l = 2 – пять значений (–2, –1, 0, +1, +2). Это означает, что для s-орбитали (m_l = 0) ориентация в пространстве не имеет значения, поскольку её сферическая форма обладает абсолютной симметрией; p-орбиталь может быть ориентирована тремя способами, d-орбиталь имеет пять возможных ориентаций в пространстве, а f-орбиталь (для которой магнитное квантовое число имеет семь значений от –3 до +3) – семь. На рис. 5 дано изображение атомных орбиталей с учетом их ориентации в пространстве и их обозначение.

Рис. 5. Форма и ориентация атомных орбиталей в пространстве

В отсутствии внешних полей энергия орбитали не зависит от её ориентации. Но под влиянием электрического или магнитного полей энергия орбиталей одного и того же подуровня становится разной, и поэтому в спектрах, снятых в магнитном или электрическом полях, происходит дополнительное расщепление линий (эффект Штарка – Зеемана).

Следует знать, что атом или ион создаёт вблизи себя электрическое поле, намного более сильное, чем поля, создаваемые в технике, поэтому при сближении атомов на близкие расстояния, например при вступлении их в химическую связь, ориентация орбиталей имеет большое значение.

Спиновое квантовое число (m_s)характеризует собственный магнитный момент электрона, который или совпадает с ориентацией орбитального момента, или направлен в противоположную сторону. В связи с этим m_s имеет только два значения: +¹/₂ или –¹/_2.

В тех случаях, когда форма и ориентация орбиталей не имеют значения, их изображают квадратиком, а электроны – стрелочками внутри них. Электроны с противоположными значениями спина обозначаются стрелками противоположных направлений (рис. 6).

1) 2) 3)

Рис. 6. Схематическое изображение атомной орбитали без электронов (1),

с одним (2) и двумя (3) электронами

Дата добавления: 2014-12-16