1.2 Будова атома

Приклад 1. Що таке квантові числа? Яких значень вони можуть набувати?

Розв’язання. Рух електрона в атомі носить імовірний характер. Навколоядерний простір, у якому з найбільшою ймовірністю (0,9—0,95) може знаходитись електрон, називається атомною орбіталлю (АО). Атомна орбіталь, як будь-яка геометрична фігура, характеризується трьома параметрами (координатами), що одержали назву квантових чисел (n, l, m_l). Квантові числа набувають не будь-яких, а визначених, дискретних значень. Сусідні значення квантових чисел розрізняються на одиницю. Квантові числа визначають розмір (n) , форму (l) та орієнтацію (m_l) атомної орбіталі у просторі. Займаючи атомну орбіталь, електрон утворює електронну оболонку, яка у електронів одного і того ж атома може мати різну форму (рисунок 1). Форми електронних оболонок аналогічні атомним орбіталям. Електронна оболонка характеризується чотирма квантовими числами (n, l, m_l, m_s).

Рисунок 1 – Форми s-, р- і d-електронних хмар (орбіталей)

Ці квантові числа пов’язані з фізичними властивостями електрона і, число n (головне квантове число) характеризує енергетичний (квантовий) рівень електрона; число l (орбітальне) – момент кількості руху (енергетичний підрівень), число m_l (магнітне) – магнітний момент, m_s - спін. Спін електрона виникає при його обертанні навколо власної осі. Електрони в атомі повинні відрізнятися хоч би одним квантовим числом (принцип Паулі), тому що в АО може знаходитись не більше двох електронів , які відрізняються спінами (m_s=±1/2). В таблиці 3 дані значення та визначення квантових чисел, а також кількість електронів на відповідному енергетичному рівні та підрівні.

Таблиця 3 – Значення квантових чисел і максимальне число електронів на квантових рівнях і підрівнях

Квантовий				Магнітне квантове число ml	Число квантових орбіталей		Максимальна кількість електронів
Рівень		Підрівень			У підрівні (2l+1)	У рівні n2	У підрівні 2(2l+1)	У рівні 2n2
Поз-начення	Головне кван-тове число n	Поз-начення	Орбітальне квантове число l
K	1	S	0	0	1	1	2	2
L	2	S P	0 1	0 -1,0+1	1 3	4	2 6	8
M	3	S P D	0 1 2	0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2	1 3 5	9	2 6 10	18
N	4	S P D F	0 1 2 3	0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3	1 3 5 7	16	2 6 10 14	32

Приклад 2. Складіть електронні формули атомів елементів із порядковими номерами 16 і 22. Покажіть розподіл електронів по орбіталях.

Розв’язання. Електронні формули відображають розподіл електронів в атомі за енергетичними рівнями, підрівнями (атомними орбіталями) . Електронна конфігурація позначається групами символів nl^x, де n — головне квантове число, l – орбітальне квантове число (замість нього указують відповідне позначення — s, p, d, f) , х- кількість електронів у даному підрівні (орбіталі).

При цьому варто враховувати, що електрон займає той енергетичний підрівень, на якому він має найменшу енергію – менша сума n+ l (правило Клечковського). Послідовність заповнення енергетичних рівнів і підрівнів така:

1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s(5d¹)4f5d6p 7s (6d^1-2) 5f6d7p.

Через те що число електронів в атомі того чи іншого елемента дорівнює його порядковому номеру в таблиці Д. І. Менделєєва, то для елементів № 16 (сірка) і № 22 (титан) електронні формули мають вигляд

₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

₂₂ Тi 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

Е лектронна структура атома може бути зображена також у вигляді схем розміщення електронів у квантових (енергетичних) ячейках, які є схематичним зображенням атомних орбіталей (АО). Квантову ячейку позначають у вигляді прямокутника , а електрони в цих ячейках позначають стрілками. У кожній квантовій ячейці може бути не більш двох електронів із протилежними спінами .

Орбіталі даного підрівня заповнюються спочатку по одному електрону з однаковими спінами, а потім по другому електрону з протилежними спінами (правило Хунда):

↑↓
↑↓	↑↓		↑↓	↑↓
↑↓	↑↓		↑	↑

Приклад 3

Ізотоп 101-го елемента – менделєєвію (256) одержали бомбардуванням α – частками ядер атомів ейнштейнію (253). Скласти рівняння ядерної реакції.

Розв’язання. Перетворення атомних ядер обумовлено взаємодією з елементарними частками та між собою. Ядерні реакції, пов’язані із зміною складу ядер атомів хімічних елементів. За допомогою ядерних реакцій можливо з атомів одного елемента одержати атоми іншого . Перетворення атомних ядер як при природній, так і при штучній радіоактивності записують у вигляді рівнянь ядерних реакцій. При цьому варто пам'ятати, що суми масових чисел (цифри, що знаходяться біля символу елемента вгорі ліворуч) і алгебраїчні суми зарядів (цифри, що знаходяться біля символу елемента внизу ліворуч) часток у лівій і правій частинах рівності повинні бути рівні. Дану ядерну реакцію виражають рівнянням .

Часто застосовують скорочену форму запису. Для приведеної реакції вона має вигляд: ²⁵³Es(α, n)²⁵⁶ Md. У дужках на першому місці пишуть частку, що бомбардує, а на другому, через кому, — частку, що утвориться при даному процесі. У скорочених рівняннях частки He; H; D; n позначають відповідно α, р, d, n.

Приклад 4. Виходячи зі скорочених рівнянь ядерних реакцій (таблиця 2), напишіть їхні повні рівняння.

Розв’язання. Відповідь на питання у таблиці 4.

Таблиця 4 –Скорочені й повні рівняння ядерних реакцій

Скорочені рівняння	Повні рівняння