Из чего все состоит
Основное состояние любой физической системы - состояние с наименьшей возможной энергией. Именно возможной ! Когда какой-то предмет лежит на столе, то, упади он на пол, энергия системы понизится. Но мы стараемся исключить подобную возможность. В атоме водорода электрон не может иметь энергию меньшую, чем энергия основного состояния. Условие квантования запрещает такие состояния.
Нам предстоит понять, как распределены электроны по состояниям в атоме, электронная оболочка которого имеет несколько электронов (в тяжелых атомах их довольно много).
Общий принцип таков: энергия электронов должна быть наименьшей, но нарушать принцип Паули нельзя.
Для описания состояния электронов в атомах приняты следующие обозначения.
Если у электрона орбитальное квантовое число l = 0, его состояние обозначается буквой s, если l = 1, буквой p, если l = 2, буквой d, наконец, если l = 3, то буквой f. Буквы эти попали в атомную физику из спектроскопии, где они суть первые буквы названия спектральных серий: s - sharp - резкая, p - principal - главная, d - diffuse - диффузная, f - fundamental - фундаментальная.
В атомной физике эти названия, похоже, забыты и остались только буквы. Воспользуемся ими.
При таблице Менделеева есть клеточка, в которой объясняются принятые термины. Среди них имеется строка Электронная конфигурация . На ней зафиксировано распределение электронов по состояниям. Попробуем в ней разобраться.
Энергия электрона в атоме очень слабо зависит от проекций орбитального l и спинового s моментов на ось квантования. Когда эти зависимости проявляются, то их называют тонкой и сверхтонкой структурой. Во многих случаях влиянием lz и sz можно пренебречь. Важна зависимость от величины главного и орбитального квантовых чисел n и l.
Выпишем электронные конфигурации первых нескольких атомов (Z - число электронов в атоме).
Водород (H), Z = 1: 1s1.
Гелий (He), Z = 2: 1s2.
Литий (Li), Z = 3: 1s22s1.
……………………………
Углерод (C), Z = 6: 1s22s22p 2.
Что означают латинские буквы, мы уже знаем. Цифры на строке - значения n, а цифра над строкой - число электронов в состоянии с указанными слева значениями n и l. Итак: у водорода один электрон в состоянии с n = 1 и l = 0, у гелия два электрона в таком же состоянии, а у лития два электрона все в том же состоянии, а третий в состоянии с n = 2 и l = 0. Третий электрон не попал в состояние 1s из-за принципа Паули: в этом состоянии не может находиться более двух электронов (вспомните: 2, 8, 18, 32 ..!).
Глядя на обозначение электронной конфигурации, нетрудно представить себе форму электронной оболочки атома. Когда у всех электронов l = 0, оболочка сферически симметрична. Если в оболочке есть электроны с l = 1, электронная оболочка вытянута. Присмотритесь к электронной конфигурации углерода. У него два электрона в p-состоянии. Следовательно, электронная оболочка как-то вытянута. Сказать точно, как именно, невозможно. Каждый из моментов количества движения обоих электронов может иметь одинаковые проекции на ось квантования (конечно, электроны при этом должны иметь разные проекции спинового момента), а могут электроны в 2p-состоянии иметь разные проекции момента количества движения. Обилие весьма близких по энергии пространственных конфигураций объясняет исключительную роль углерода в веществах, из которых построено все живое.
По своим свойствам атомы существенно отличаются друг от друга. Пытаясь понять, чем вызвано различие их химических свойств, почему одни атомы легко объединяются с другими, а иные инертны, античные философы наградили атомы различными специальными приспособлениями: крючочками, петельками и т. п. Но в атомах нет ничего, кроме ядра и электронов. Именно электроны ответственны за химические свойства веществ и их разнообразие.
Тонкости химических свойств веществ очень непросто строго объяснить, основываясь на понимании электронных структур атомов и конструкций из атомов. Этим занимается специальная наука - квантовая химия, успехи которой велики.
Кристалл искусственного кварца. Его выращивают, поместив в расплав окиси кремния Si2O затравку - кварцевую пластинку. Выращенный кристалл повторяет форму исходного. Так удается получить монокристаллы кварца массой до 15 килограммов. Сегодня умеют искусственно выращивать несколько сотен различных природных кристаллов (сапфиры, рубины, гранаты) и кристаллы, не существующие в природе, - фианиты.
Сосредоточим свое внимание на трех столбцах таблицы Менделеева - на восьмом, в котором инертные газы, и на двух соседних - на седьмом, где типичные металлоиды (фтор, хлор и т.д.), и на столбце Ia, где щелочные металлы (литий, калий,…, а также водород). Восьмой столбец часто помещают перед первым, так что мы не очень погрешили против истины, назвав столбец Ia соседним с восьмым. Электронные структуры атомов этих столбцов помогут, по крайней мере в общих чертах, объяснить их свойства.
Вспомним, что квантовое число n определяет "положение" электрона относительно ядра. Чем n больше, тем электрон дальше от ядра. Слово "положение" взято в кавычки, прежде всего, потому, что электрон движется, а, кроме того, как мы говорили, электрон "размазан". И все же, чем больше n, тем этот движущийся и "размазанный" по своей оболочке электрон дальше от ядра. С ростом величины момента l энергия электрона, как правило, тоже растет. Водород - исключение: энергия электрона в атоме водорода от l не зависит вовсе.
Электронная конфигурация атомов восьмой группы показывает, что электроны этих атомов необычайно компактно укомплектованы. Ни на один из занятых уровней нельзя добавить ни одного электрона, так как такое добавление вступит в противоречие с принципом Паули. Вот у атомов седьмой группы явно есть одно свободное место, а у всех щелочных металлов есть как бы дополнительный электрон - электрон с максимальной энергией. Он слабее связан с ядром, чем остальные электроны.
Перечисленных сведений об электронной структуре атомов хватит, чтобы пояснить,