Электронная конфигурация атома

Состояние электрона в изолированном атоме определяется четырьмя квантовыми числами:

n – главное квантовое число;

l – орбитальное квантовое число;

m – магнитное квантовое число;

s – спиновое квантовое число.

Главное квантовое число п может принимать положительные целые значения п = 1,2,3,…¥. Совокупность электронов, характеризуемых одинаковым главным квантовым числом п, образует электронную оболочку атома.

Из курса механики известно, что классическая частица, двигаясь в центрально-симметричном потенциальном поле (например, в гравитационном поле) в любой точке имеет одну и ту же сохраняющуюся величину момента количества движения или момента импульса При движении квантовой частицы в центрально-симметричном поле момент импульса тоже сохраняется, причем так же как энергия, он принимает определенные, дискретные (квантованные) значения, которые определяются вторым квантовым числом l. Это квантовое число называется орбитальным.

При заданном значении главного квантового числа п орбитальное число l (а с ним и момент импульса) может принимать значения: l =0,1,2,3,… n -1, всего n различных значений. Электроны с одинаковым квантовым числом l образуют группу. Группа – это часть электронной оболочки. Группы принято обозначать буквами по схеме:

l 0 1 2 3 4 5 …

группа s p d f g h ….

Совокупность электронов, принадлежащих к определенной оболочке и группе, обозначают главным квантовым числом, буквенным обозначением группы и индексом, который указывает фактическое число имеющихся в атоме электронов с одинаковыми квантовыми числами n и l. Например, 3 р ² означает, что в атоме два электрона, характеризующиеся квантовыми числами п = 3 и l = 1. Распределение электронов в атоме по состояниям с различными п и l называют электронной конфигурацией атома.

Магнитное квантовое число т устанавливает возможные пространственные направления вектора момента количества движения и может принимать (2 l +1) значение: т = - l, -(l -1), -(l -2),…0,…(l -2), (l -1), l.

Сам электрон, кроме заряда и массы, характеризуется моментом количества движения вокруг собственной оси и связанным с ним магнитным моментом. Вектор момента количества движения в зависимости от направления вращения электрона может быть параллельным или антипараллельным вектору орбитального момента импульса. Это состояние электрона определяется четвертым квантовым числом s, которое называется спиновым или просто спином. Спин электрона по абсолютной величине равен половине величины постоянной Планка:

.

Поскольку спины частиц принято измерять в единицах , то спин электрона может быть равен либо 1/2, либо –1/2, то есть число .

В 1924 году немецкий физик Вольфганг Паули сформулировал один из важнейших принципов современной теоретической физики, согласно которому в атоме не может быть двух электронов в одном и том же квантовом состоянии. Отсюда следует конечная вместимость электронных групп и оболочек.

Вместимость группы (l =const) равна 2(2 l +1):

группа s p d f

l 0 1 2 3

вместимость 2 6 10 14

В каждой заполненной группе четное число электронов, и каждому электрону с определенными квантовыми числами n, l, m соответствует электрон с теми же квантовыми числами, но противоположными спинами.

Вместимость оболочек (п = const) равна :

Оболочка K L M N O P

n 1 2 3 4 5 6

вместимость 2 8 18 32 50 72

При решении вопроса о распределении электронов в атомах по возможным квантовым состояниям используются два принципа:

1)Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковой комбинацией квантовых чисел n, l, m, s.

2)В нормальном состоянии атома каждый электрон занимает квантовое состояние с наименьшей возможной энергией.

Дата добавления: 2014-01-06