2.4 Квантовые числа
1.
Главное квантовое число
характеризует:
- число энергетических уровней в атоме;
- энергию электрона на данном энергетическом уровне;
- размер атома.
В
общем случае
принимает значения от
до
.
В невозбуждённых атомах, т.е. таких,
состояние которых соответствует их
расположению в периодической системе
элементов Д. И. Менделеева,
изменяется от
до
в соответствии с числом периодов в
периодической системе. Чем меньше
,
тем больше энергия взаимодействия
электрона с ядром. Например, при
атом водорода находится в основном
состоянии, при
– в возбуждённом.
-
Модель 2.2
В
многоэлектронных атомах электроны с
одинаковыми значениями
образуют слой или уровень обозначаемый
буквами
и
.
Буква
соответствует первому уровню,
–
второму и т.д.
2.
Орбитальное или побочное квантовое
число
характеризует:
– Энергию электрона на энергетическом подуровне.
Н
а
уровне может находиться много электронов
(максимально
),
но не все они обладают одинаковой
энергией. В результате взаимного
отталкивания электронов происходит
расщепление энергетического уровня на
подуровни (рисунок
).
Рисунок 2.3 Расщепление энергетического уровня на подуровни
Те электроны, которые принадлежат одному и тому же подуровню, т.е. электроны с одинаковыми значениями , обладают одинаковой энергией. Такое состояние называют вырожденным по энергии.
принимает
значения от
до
,
но это правило справедливо для
невозбуждённых атомов для
.
Кроме числовых значений,
имеет и
буквенные обозначения:
Так,
при
,
т.е. число энергетических подуровней в пределах данного энергетического уровня;
-
Форму атомных орбиталей (рисунок
).
3. Магнитное квантовое число определяет:
- ориентацию атомных орбиталей в пространстве;
- число атомных орбиталей на энергетическом подуровне.
принимает
целые значения от
через
до
,
т.е.
значений. Например, рассмотрим
подуровень,
для него
– всего
значения. Следовательно, число
означает, что на данном энергетическом
подуровне находится три атомных орбитали,
различным образом ориентированных в
пространстве (рисунок
).
Вышеизложенное можно представить в виде таблицы .
Таблица 2.1 - Число орбиталей на энергетических подуровнях
|
|
|
|
|
|
Рисунок 2.4. Конфигурации атомных орбиталей и ориентация их в пространстве
орбитали
сферически симметричны для любого n
и отличаются друг от друга только
размерами сферы.
орбитали
существуют при
,
поэтому возможны три варианта ориентации
в пространстве:
Все
орбитали
обладают узловой плоскостью, делящей
орбиталь на две области, поэтому граничные
поверхности имеют форму гантелей,
ориентированных в пространстве под
углом
друг относительно друга. Осями симметрии
для них являются координатные оси,
которые обозначаются
.
орбитали
определяются квантовым числом
,
при котором
то есть характеризуются пятью вариантами
ориентации в пространстве.
орбитали,
ориентированные по осям координат,
обозначаются
и
,
а ориентированные по биссектрисам
координатных углов -
Семь
орбиталей,
соответствующих
,
имеют ещё более сложную конфигурацию
и на рисунке
не показаны.
4.
Спиновое квантовое число
(от английского
– вращение) упрощено можно представить
как описывающее вращение электрона
вокруг собственной оси по часовой
стрелке и против, поэтому оно имеет
только два значения
представляющие собой две проекции
углового момента электрона на выделенную
ось.
Д
ля
изображения атомной орбитали и электронов
часто используют «квадратики» и
«стрелки», направленные вверх или вниз.
Два электрона с одинаковыми значениями
квантовых чисел
,
но с противоположно направленными
спинами, называются спаренными или
неподелённой электронной парой и
обозначаются , неспаренные электроны
– или .
Итак, четыре квантовые числа описывают состояние электрона в атоме и характеризуют энергию электрона, его спин, форму электронного облака и его ориентацию в пространстве. При переходе атома из одного состояния в другое происходит перестройка электронного облака, то есть изменяются значения квантовых чисел, что сопровождается поглощением или испусканием атомом квантов энергии.