Спин электрона
При проведении эксперимента в опыте Штерна - Герлаха пучок невозбужденных атомов серебра расщепился на два пучка, которые создали две узкие зеркальные полоски, сдвинутые симметрично вверх и вниз.
Для объяснения этого явления была выдвинута теория, что сам электрон является носителем собственных механического и магнитного моментов, не связанных с движением электрона в пространстве. Согласно выдвинутой теории, электрон обладает собственным моментом импульса, который получил название спина, и собственным магнитным моментом. Спин электрона не квантуется по величине, но квантуется его проекция на направление магнитного поля.
Спиновое квантовое число s может принимать только два значения s = +1/2 и s = -1/2, то есть у самого электрона во внешнем поле возможны два направления спина.
Спин электрона не имеет классического аналога. Наличие спина электрона и возможность его пространственного квантования во внешнем поле позволило объяснить эффекты, которые наблюдались при изучении тонкой структуры оптических спектров ряда атомов. Например, тщательное исследование спектральных линий водорода в магнитном поле показало, что каждая линия состоит из двух близких линий. Это явление получило название тонкой структуры, оно объясняется возможностью двойной ориентации спина. Отметим также, что не только электрон, но и многие другие элементарные частицы, в том числе и не заряженные, обладают спином.
Многоэлектронный атом. Правила распределения электронов по орбиталям. Принцип Паули
В многоэлектронных атомах вокруг положительно заряженного ядра двигается несколько электронов, их число равно порядковому номеру атома в таблице Менделеева.
Оказалось, что структура возможных состояний (электронных оболочек) для всех атомов идентична и сходна со структурой атома водорода.
Основное отличие от водорода обнаружилось в заполнении возможных состояний электронами атома. Распределение электронов по состояниям для любого невозбужденного атома происходит на основании следующих законов: минимума энеpгии и принципа Паули. Первый закон является общим свойством материи, согласно ему любая система стремится к устойчивому состоянию с наименьшей энергией. Принцип Паули заключается в следующем: никакие два электрона в одном атоме не могут характеризоваться одинаковым набором всех четырех квантовых чисел чисел: n, l, m, s.
Из принципа Паули вытекает следствие, важное для правил заполнения электронных оболочек: в квантовом состоянии, описываемом набором квантовых чисел n, l, m, может находиться максимум два электрона, один со спиновым квантовым числом +1/2 и один со спиновым квантовым числом -1/2. В химии такое состояние называют орбиталью и схематически обозначают квадратиком, а находящиеся на орбитали электроны – стрелками. На рис.13.12 а) и б) показаны орбитали, заполненные частично, а рисунок в) соответствует полностью заполненному уровню.
|
Таким образом, электроны в невозбужденном многоэлектронном атоме, последовательно занимают состояния, начиная |
Рис. 13.12.
с имеющего минимальную энергию (согласно принципу минимума энергии системы), при этом, согласно принципу запрета Паули, в одном и том же квантовом состоянии могут находиться не более двух электронов.