2. Основні положення квантової механіки. Поняття про електронні хмарини і атомні орбіталі. Характеристика енергетичного стану електрона квантовими числами.

В основі сучасного вчення про будову атома покладено квантово- механічні уявлення про подвійну корпускулярно-хвильову природу мікрочастинок (мікрооб'єктів).

На початку XX ст. була створена (Планк, Ейнштейн) квантова теорія світла, згідно з якою енергія світлового потоку складається з окремих квантів, а не розповсюджується безперервно, причому величина кванту енергії (Е) різна для різних випромінень і пропорційна частоті коливань (ѵ):

Е=hѵ,

Цю енергію несуть частинки світла - фотони. Намагаючись штучно сполучити закони класичної механіки з квантовою теорією, Бор вважав, що електрон в атомі Гідрогену може знаходитись лише на цілком визначених орбітах, радіуси яких відносяться один до одного, як квадрати цілих чисел. Ці орбіти були названі стаціонарними. Обертаючись навколо ядра на цих стаціонарних орбітах, електрони не випромінюють і не поглинають енергії. Випромінення атомами енергії відбувається тільки при переході електрона з більш видаленої орбіти на більш близьку до ядра орбіту. При перескоку електрона з більш близької орбіти на більш віддалену атомом поглинається енергія.

Електрону, як і будь-якому мікрооб’єкту, притаманна подвійна корпускулярно-хвильова природа.

Хвильова (квантова) механіка показала, що уявлення про рух електрона навколо ядра на визначених орбітах, подібний до руху планет навколо Сонця, слід вважати невірним. В дійсності електрон, маючи властивість хвилі,рухається у всьому атомному об'ємі, утворюючи електронну хмару, яка для електронів може мати різну форму. З найбільшою вірогідністю електрон знаходиться в певній області атома.

Густина електронної хмари, в тій чи іншій частині атомного об’єму неоднакова. Рух електрона в атомі носить ймовірносно-хвильовий характер.

Електрон має хвильові властивості - це означає, що його рух в атомі можна описати хвильовим рівнянням, подібно до того, як описуються світлові і звукові хвилі, коливання струни і т. ін.

Цей колоядерний простір називають атомною орбіталлю АО. Займаючи ту чи іншу атомну орбіталь, електрон утворює електронну хмару, яка у електронів одного й того ж атома може мати різну форму. Форми електронних хмар аналогічні АО, тому їх також називають електронними або атомними орбіталями.

Основною характеристикою, що визначає стан електрона в полі ядра атома, - це його енергія. Енергія електрона, як і енергія частинки світлового потоку - фотона, приймає не будь-які, а лише певні дискретні (перервні) значення, що квантуються.

Отже, для повної характеристики стану електрона в атомі необхідно і достатньо мати чотири параметри. Ці параметри одержали назву квантових чисел. Квантові числа, так само як і енергія електрона, можуть приймати не будь-які, а тільки певні значення.

1. Головне квантове число п характеризує загальну енергію електрона в атомі - його енергетичний рівень. Воно визначає розміри атомної орбіталі. Головне квантове число має значення цілих чисел від 1 до 7. Для електронів, які знаходяться в незбуджених атомах, п змінюється від 1 до 7 (відповідно до номера періоду в періодичній системі елементів Менделєєва). Енергетичні рівні при п = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 відповідно називаються К-, L-, М-, N-? 0-, Р-, Q-рівнями.

2. Орбітальне квантове число l (побічне) характеризує енергію електрона в багатоелектронному атомі. В багатоелектронних атомах енергії електронів, які мають однакове значення п, але різні l, починають відрізнятися, тобто електрони займають різні за формою орбіталі. Електрони даного енергетичного рівня групуються в підрівні. Орбітальне квантове число визначає форму атомних орбіталей і пов’язане з моментом кількості руху електрона при його русі відносно ядра атома. Воно характеризує різний енергетичний стан електронів на даному рівні. Орбітальні квантові числа для електронів з даним головним квантовим числом можуть приймати всі цілі значення від 0 до п - І. Число підрівнів на кожному енергетичному рівні дорівнює його головному квантовому числу.

Атомні орбіталі, а також електрони, для яких l= 0, 1, 2 і 3, відповідно називаються s-, р-, d- і f-орбіталями або s-, р-, d- і f-електронами. (Позначення підрівнів літерами відповідають першим літерам англійських назв відповідних спектральних ліній в атомних спектрах: s - sharp (різка), р - prinspali(основа), d -dsffus(дифузна), f-fипdатепtаl (фундаментальна).

Перший енергетичний рівень (n = 1) складається з одного s-підрівня, другий (п = 2), третій (п = 3) і четвертий (п = 4) енергетичні рівні складаються, відповідно, з двох (s-, р-), трьох (s-, р-, d-) і чотирьох (s-. р-, d-, f-) підрівнів. Більше чотирьох підрівнів не заповнюються, бо значення l= 0, 1, 2, 3 описують електрони усіх відомих на сьогодні елементів.

3. Магнітне квантове число m пов’язане з магнітним моментом електрона, що обумовлено його рухом в полі ядра, і вказує на орієнтацію електронної хмари відносно напрямку магнітного поля. Магнітне квантове число може приймати всі цілі значення від -lдо +l, включаючи і 0. Число значень магнітного квантового числа, яке дорівнює (21 + 1), - це число енергетичних станів (орбіталей), на яких можуть знаходитись електрони даного підрівня.

Енергетичні стани електрона прийнято позначати схематично у вигляді прямокутників - квантових (енергетичних) комірок –

Електрони в цих комірках позначаються стрілками. Прямокутник і є схематичним символом атомної орбіталі.

IV. Спінове квантове число s характеризує внутрішній рух електрона - спін. Воно пов’язане з власним магнітним моментом електрона, обумовленим його рухом навколо своєї осі. Це квантове число може мати лише два значення: +1/2 і -1/2 в залежності від того, паралельно або антипаралельно магнітному полю орієнтується магнітне поле спіну електрона.

Два електрони з однаковими значеннями квантових чисел n, l, m/, але з протилежно спрямованими спінами називаються спареними або неподіленою парою електронів. Електрони з нескомпенсованими спінами називаються неспареними.