У

Рис. 10. Форми та просторова

Орієнтація s-, p- I d-орбіталей

магнітному полі спектральні лінії атомів стають ширшими або розщеплюються, тобто з’являються нові близько розташовані лінії. Це пояснюється тим, що електрон в атомі на всіх підрівнях, крім s-підрівня, поводить

себе подібно до магніту і тому характеризується не лише орбітальним, а ще й магнітним моментом. Енергетичні зміни електронів, які при цьому відбуваються, можна пояснити різним розміщенням електронних орбіталей у просторі одна відносно одної.

Просторове розміщення електронних орбіталей відносно направленості магнітного поля характеризується третім квантовим числом m_l, яке називається магнітним.

Магнітне квантове число може мати цілочислові значення (додатні й від’ємні) від +l до – l .

Отже, число значень магнітного квантового числа залежить від орбітального квантового числа і вказує, скільки може бути орбіталей з певним значенням l. Так, для s-електронів можливе лише одне значення m_l=0(20+1=1); для р-електронів (l=1)  три значення m_l (-1;0;+1); для d-електронів (l=2) магнітне квантове число може мати п’ять значень (-2;-1;0;+1;+2); для f-електронів (l=3) – сім значень (-3;-2;-1;0;+1;+2;+3). Певному значенню l відповідає (2l + 1) можливих значень магнітного квантового числа. Орбіталі з однаковою енергією називаються виродженими, тому р-стан вироджений трикратно, d-стан – п’ятикратно, а f-стан – семикратно.

На відміну від кулястої s-орбіталі p-, d- і f-орбіталі в просторі мають певний напрямок (рис. 10). За характером орієнтації в просторі р-орбіталі позначають р_x, p_y, p_z, які витягнуті відповідно вздовж осей xx, yy, zz,. Напрям d-орбіталей не тільки збігається з осями координат, а й лежить між ними: d-орбіталі, орієнтовані вздовж осей координат, позначають d_x2-y2 (витягнуті вздовж осей xx та yy) і dz² (витягнуті вздовж осі zz); d-орбіталі, орієнтовані між осями координат, позначають dxy, dyz, dxz (розташовані по бісектрисах між осями); f-орбіталі мають складнішу форму.

Слід зазначити, що кожну орбіталь іноді зображують як енергетичну (квантову комірку у вигляді квадрата. Для s-електронів може бути лише одна орбіталь або одна енергетична комірка ; для р-електронів – три  ; для d-електронів – п’ять ; для f-електронів – сім . Число енергетичних комірок визначається магнітним квантовим числом.

Спінове квантове число s. На основі вивчення тонкої структури атомних спектрів установлено, що стан електронів у атомі залежить не тільки від обертання навколо ядра, яке визначається квантовими числами n, l, m_l, а й від їх власного руху – спіну. Спрощено спін ( від англ. spin – крутіння, обертання) можна уявити як рух електрона навколо своєї осі. Цей рух характеризується спіновим квантовим числом s, яке може мати тільки два значення +1/2 або –1/2. Спін зображують стрілочками:  , . Спіни електронів, напрямлені в один бік, називаються паралельними, а в протилежні – антипаралельними.

2.1.8. Принцип Паулі

Значення чотирьох квантових чисел характеризують сукупність складних рухів електронів у атомі, але не дають повного уявлення про розподіл електронів у ньому.

На основі аналізу атомних спектрів і врахування положення елементів у періодичній системі в 1925 р. фізик Паулі сформулював принцип, який дає змогу визначити такі комбінації квантових чисел, які відповідають реальному розподілу електронів у атомі.

Згідно з принципом Паулі, в атомі не може бути двох електронів з однаковими значеннями всіх чотирьох квантових чисел. Наприклад, два електрони, які мають однакові значення трьох квантових чисел m,l і n, відрізняються значенням четвертого квантового числа s. Суть принципу Паулі полягає в тому, що одну орбіталь, яка характеризується певними значеннями n, l і m, можуть займати не більше ніж два електрони з антипаралельними спінами.

Розподіл електронів на енергетичних рівнях і підрівнях записується так: великою арабською цифрою позначається номер енергетичного рівня. Маленькими латинськими літерами – підрівні, а число електронів на підрівні – маленькою арабською цифрою у верхньому правому індексі. Наприклад, розподіл електронів на третьому енергетичному рівні можна записати: 3s²3p⁶3d¹⁰.