Строение электронных оболочек атомов

Рассмотрим строение отдельно взятого электронного уровня (слоя). Начиная со значения главного квантового числа n = 2, электронные уровни (L, M, N, O, P, Q - слои) подразделяются на подуровни (подслои), отличающиеся друг от друга энергией связи электрона с ядром. Число подуровней равно значению главного квантового числа, но не превышает четырех. Таким образом, 1 уровень имеет один подуровень, 2 – два, третий – 3, четвертый – 4 подуровня. Подуровни, в свою очередь, составлены из орбиталей. Принято подуровни обозначать латинскими буквами: s- первый, ближайший к ядру подуровень каждого энергетического уровня: он состоит из одной s-орбитали; p- второй подуровень, он состоит из трех р-орбиталей, d- третий подуровень, он состоит из пяти d-орбиталей; f- четвертый подуровень, содержит семь f-обиталей. Таким образом, для каждого значения n имеется (2 l + 1) орбиталей.

Выше показано, что состояние электронов можно описать набором четырёх квантовых чисел, но для полного объяснения строения электронных оболочек атомов нужно знать еще три основных положения:

1) принцип В. Паули. В 1925 г. швейцарский физик В. Паули (в 1945 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике) установил правило, названное принципом Паули (или запретом Паули): в атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковыми свойствами. Поскольку свойства электронов характеризуются квантовыми числами, принцип Паули часто формулируют так: в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы.

Хотя бы одно из квантовых чисел n, l, m _l, и m_s должно обязательно различаться. Поэтому в атоме могут быть лишь два электрона с одинаковыми n, l и m _l: один с m_s = +1/2, другой с m_s = -1/2. Напротив, если проекции спина двух электронов одинаковы, должно отличаться одно из квантовых чисел n, l, m _l.

Зная принцип Паули, посмотрим, сколько же электронов в атоме может находиться на определенной «орбите» с главным квантовым числом n. Первой «орбите» соответствует n = 1. Тогда l = 0, m _l = 0 и m_s может иметь любое из двух значений: +1/2 или –1/2. Мы видим, что если n = 1, таких электронов может быть только два.

В общем случае, при любом заданном значении n электроны, прежде всего, отличаются побочным квантовым числом l, принимающим значения от 0 до (n - 1). При заданных n и l может быть (2 l + 1) электронов с разными значениями магнитного квантового числа m _l. Это число должно быть удвоено, так как заданным значениям n, l, m _l соответствует два разных значения проекции спина m_s. Если на орбитале находится один электрон, то он называется неспаренным, если два, то это спаренные электроны. Принцип Паули поясняется формулой N = 2n². А именно: если например, на третьем уровне (n = 3) содержится 3² = 9 орбиталей, а на каждой орбитали по 2 электрона, то максимальное число электронов составит 2∙3² = 18.

Иллюстрация принципа Паули

2) правило Ф. Хунда (Гунда). Заполнение ячеек электронами происходит по правилу Гунда: в пределах подуровня электроны располагаются сна­чала каждый в отдельной ячейке (в виде так называемых «холостых» - валентных электронов), затем, когда все ячейки данного подуровня окажутся занятыми, начинается уплотнение электронов вновь по­ступающими, т. е. происходит их «спаривание». Иначе говоря, элек­троны в пределах данного подуровня (S, P, D, F) Заполняются таким об­разом, чтобы суммарный спин был максимальным. Например, если в трех р-ячейках необходимо распределить три электрона, то они будут располагаться каждый в отдельной ячейке: в этом случае суммарный спин равен 3/2.

3) принцип наименьшей энергии (правило В.М. Клечковскогоили правило (n+l)). Последовательность заполнения атомных орбиталей в зависимости от значения главного и орбитального квантовых чисел изучена отечественным ученым Всеволодом Маврикиевичем Клечковским (1900-1972). Он установил, что энергия электрона возрастает по мере увеличения суммы квантовых чисел (n + l).

Первое правило В.М. Клечковского (1952): последовательность заполнения определяется возрастанием суммы n + l: сначала заполняется тот подуровень, где сумма (n + l) меньше.

Второе правило В.М. Клечковского: при равенстве сумм (n + l) заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания главного квантового числа, то есть сначала заполняется тот подуровень, для которого n меньше, а l больше, а потом уже подуровень с большим n.

Дата добавления: 2014-01-04