3. Спин электрона

Еще до создания квантовой механики было установлено, что детальную структуру спектра излучения атома можно объяснить если принять, что электрон помимо энергии, связанной с его орбитальным движением, обладает дополнительной энергией. Ес­тественно было допустить, что электрон вращается вокруг сво­ей оси (такое вращение называется спином), чем и обусловлена эта дополнительная энергия. Если приписать электрону собственный момент импульса Ls (часто эту величину называ­ют просто спином), то из общих выводов квантовой механики следует, что спин должен быть квантован по закону

(36.1)

где S - спиновое квантовое число.

Аналогично результату (35.9) проекция L_SZ также должна квантоваться по закону

(36.2)

принимая при этом (2S+1) различные ориентации. Проведенные в 1921 г. О.Штерном и В.Герлаком опыты по определению магнит­ных моментов атомов, во-первых, подтвердили пространственное квантование магнитных и связанных с ними механических моментов атомов, а, во-вторых, установили, что для спина электро­на число возможных ориентаций всего 2, так что 2S+1=2, т.е. S=1/2. Численное значений спина равно

(36.3)

а число m_S может принимать лишь два значения: . Это число можно было бы назвать магнитным спиновым числом, но это название не применяется. Говоря о спиновом квантовом числе понимают под ним m_S. Т.о., проекция спинового момента может принимать два значения

(36.4)

Еще раз уточним (см. лк. 23), что представлений о спине, связанное с вращением электрона вокруг оси является неверным. Спин электрона как и других частиц рассматривают как их особое свойство, подобно массе и заряду.

Итак, с учетом спина электрона его состояния в атоме характеризуется набором четырех квантовых чисел; n, l, m, m_S (или просто спинового числа S).

4. Принцип Паули

В 1925 г. В.Паули установил квантовомеханический закон, называемый принципом Паули: в одном квантовом состоянии, оп­ределяемом набором квантовых чисел n, l, m, m_S, не может на­ходиться более одного электрона.

Тогда максимальное число электронов, находящихся в сос­тояниях, определяемых главным квантовый числом n равно 2n². Электроны в атоме, занимающие состояния с одинаковым n, об­разуют электронную оболочку или слой. Различает следующие оболочки К, при n=1, L, при n=2 и т.д. В каждой оболочке электроны распре­деляются по подоболочкам -состоянием с одинаковым l. В таблице приведены максимальные числа электронов, находящихся в оболочках и подоболочках.

5. Электронная структура атомов

На основании закономерностей в строении атомов объясняется строение периодической системы элементов Менделеева. Заполнение электронами оболочек производится в соответствии с принципом Паули и требованием минимальной энергии электрона в данном состоянии.

Из этих принципов можно установить связь между распре­делением электронов в атоме по энергетическим состояниям и положениям атома в периодической системе. Так, у атома водо­рода один электрон находится на К -оболочке, занимая S состояние, что принято обозначать 1S¹. У атома гелия два элек­трона в этом же состоянии, но отличаются направлением спина, что принято обозначать 1S². У следующего атома лития начинает застраиваться L-оболочка. Его конфигурация 1S²2S¹ и т.д. Такая последовательность заполнения электронных слоев наблюдается вплоть до восемнадцатого элемента аргона, имею­щего конфигурацию

1S²2S²2P⁶3S²3P⁶

Девятнадцатый электрон калия должен был бы занять состо­яние 3d в m- оболочке. Однако химические его свойства ана­логичны свойствам лития и натрия, у которых валентный элек­трон наводится в S-состояний. У калия этот электрон занимает 4S состояние, т.е. при незаполненной М - оболочке начи­нает застраиваться N - оболочка. Такие отступления наблюда­ются и у других элементов, что объясняется соблюдением прин­ципа минимальной энергии электрона в соответствующем состоя­нии.