2.СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

2.3.Атомное ядро. Изотопы, изобары

Отсюда видно, что практически вся масса атома сосредоточена в яд-

ре, которое почти в 100 000 раз меньше размера атома.

Ядро атома состоит из протонов р и нейтронов n. Протон – элементарная частица в составе атомного ядра массой 1,67 10–24 г, имеющая положительный заряд 1,6 10–19 Кл. Протон был открыт в 1920 г. английским физиком Э. Резерфордом.

Нейтрон – элементарная частица в составе атомного ядра массой 1,67 10–24 г. Не заряжена. Нейтрон был открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Сумму протонов и нейтронов называют нуклонами.

В состав ядра, кроме протонов и нейтронов, входит множество других микрочастиц, таких как мюоны, нейтрино, τ-лептоны, гипероны, μ-мюзоны, π-мюзоны, кварки (5 видов), антикварки (5 видов) и др.

Изотопы – разновидности атомов, имеющих одинаковые заряды ядер,

но разные атомные массы (за счет разного числа нейтронов в ядре), напри-

мер, 24Mg и 25Mg, 35Cl и 37Cl.

Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (α-частицы), называется радиоактивностью.

Изобары – это атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер и разные химические свойства. Например, атомы аргона, калия и кальция – 40Ar, 40K, 40Ca.

2.4. Квантовые числа. Принцип Паули

Атом – квантовая система, т. е. система микрочастиц, поведение которых описывается законами квантовой механики. Согласно этим законам, энергетическое состояние электрона в атоме описывается при помощи четырех квантовых чисел:

n – главное квантовое число,

l – орбитальное, или побочное, квантовое число, ml – магнитное квантовое число,

ms – спиновое квантовое число.

Главное квантовое число n характеризует энергию электрона на квантовом уровне и удаленность его от ядра. Оно принимает целочисленные значения от единицы до бесконечности:

n = 1, 2, 3, . . . , ∞.

Состояние электрона, характеризующееся определенным значением главного квантового числа, принято называть энергетическим уровнем электрона в атоме. Каждый энергетический уровень соответствует номеру периода в периодической таблице Д. И. Менделеева:

2.СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

2.4.Квантовые числа. Принцип паули

Чем больше значение главного квантового числа, тем больше энергия электрона на энергетическом уровне и тем дальше он расположен от ядра.

Орбитальное квантовое число l. При вращении электрона вокруг ядра возникает орбитальный момент l*

l* = 2hπ l,

где h – постоянная Планка.

Физический смысл орбитального квантового числа состоит в том, что оно определяет значение орбитального момента количества движения электрона, а эта величина является квантованной характеристикой состояния электрона в атоме.

В многоэлектронных атомах энергия электрона зависит и от главного, и от орбитального l квантовых чисел. Поэтому состояния электрона с разными значениями l называют энергетическими подуровнями электрона в атоме.

Энергия электрона на энергетическом подуровне и форма электронного облака определяются орбитальным квантовым числом l, которое также называют азимутальным или побочным.

Орбитальное квантовое число принимает целочисленные значения от 0

до (n − 1): l = 0, 1, 2, . . . , (n − 1).

При n = 1 l имеет одно значение (l = 0), т. е. один подуровень. При n = 2 l имеет два значения (l = 0; 1), т. е. два подуровня.

При n = 3 l имеет три значения (l = 0, 1, 2), т. е. три подуровня и т. д. Таким образом, данному значению n соответствует такое же количест-

во значений орбитального квантового числа. Номер энергетического уровня n равен количеству подуровней в нём.

Подуровням присвоены буквенные обозначения в соответствии со значениями орбитальных квантовых чисел (табл. 2.1).

2.СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

2.4.Квантовые числа. Принцип паули

Обычно говорят об s-, p-, d-, f-подуровнях, s-, p-, d-, f-электронных облаках (рис. 2.1) и, соответственно, об s-, p-, d-, f-электронах.

s-облако

р-облака

d-облака

Рис. 2.1. Форма электронных облаков различных атомных орбиталей

Граничная поверхность s-электрона представляет собой сферу, у р-облаков форма гантелей, или объемных восьмерок, расположенных вдоль каждой из координатных осей, у d-электронов четыре облака имеют форму четырехлопастных лепестков, а пятое − форму объемной восьмерки с пояском по центру (рис. 2.1).

Электронное облако не имеет четко очерченных границ в пространстве. Можно говорить лишь о его плотности, о вероятности пребывания электрона в каждой фиксированной точке пространства, которая определяется квадратом

абсолютного значения волновой функции Ψ 2 . Обычно проводят граничную

поверхность, которая заключает около 90 % заряда и массы электрона.

При записи цифрой указывается главное квантовое число, а затем буквой − орбитальное квантовое число. Например, 2р означает, что у электрона n = 2, l = 1; 3d означает, что n = 3, l = 2.

По энергетическим подуровням происходит возрастание энергии электронов в следующем порядке:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f ≈ ≈ 5d < 6p < 7s < 5f ≈ 6d < 7p,

2.СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

2.4.Квантовые числа. Принцип паули

т. е. чем дальше от ядра находится электрон, тем больше его энергия и тем менее прочно он связан с ядром.

Магнитное квантовое число ml. Ориентация электронного облака в пространстве не может быть произвольной и зависит от величины и знака магнитного квантового числа ml, которое принимает значения

ml = −l, 0, +l

и определяет количество ориентаций электронных облаков в пространстве, а также энергию электрона в каждой ориентации.

Например, если l = 0 (s-орбиталь), то ml = 0, т. е. имеется одна ориентация s-облака; если l = 1 (р-орбиталь), то ml = −1, 0, 1, т. е. возможны три ориентации р-облаков; если l = 2 (d-орбиталь), то ml = −2, −1, 0, 1, 2, т. е. возможны пять ориентаций d-облаков (рис. 2.1).

Число орбиталей, отвечающих одному и тому же значению орбитального квантового числа l, т. е. одинаковой формы, в данном энергетическом уровне равно (2l + 1).

Магнитное квантовое число ml − величина векторная и получило такое название, т. к. его значения зависят от взаимодействия магнитного поля, создаваемого электроном, с внешним магнитным полем.

Спиновое квантовое число ms. При исследовании атомных спектров, а именно эффекта Зеемана (расщепление линий в спектрах под действием магнитного поля), было введено понятие собственного момента количества движения электрона MS, которое характеризует вращение его вокруг собственной оси в двух противоположных направлениях и сопровождается появлением собственного магнитного поля:

где ms – спиновое квантовое число электрона (спин электрона).

Это понятие экспериментально подтвердили в 1925 г. английские ученые С. Гоудсмит и Г. Уленбек.

Спин – это собственный угловой момент вращения электрона. Спин подчиняется тем же правилам квантования энергии и принимает значения

ms =±½.

Графически спин электрона обозначается стрелкой вверх ↑ или вниз ↓, что отвечает вращению электрона вокруг собственной оси по или против часовой стрелки.

Для определения состояния электрона в атоме используется принцип запрета В. Паули (1924 г.): в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы.