Модель строения атома э. Резерфорда

В начале XXв. опытами по облучению тонкой фольги α-частицами Э. Резерфорд определил структуру атома. Он показал, что атом имеет планетарную модель (рис. 3), то есть состоит из плотного положительно заряженного ядра, вокруг которого обращается рыхлая электронная оболочка.

Рис. 3.Планетарная модель строения атома Э. Резерфорда

В целом атом является электронейтральной элементарной структурой химического элемента. Физический смысл порядкового номера Z-элемента в периодической системе элементов был установлен в планетарной модели атома Резерфорда. Z совпадает с числом положительных элементарных зарядов в ядре, закономерно возрастающих на единицу при переходе от предыдущего элемента к последующему. Химические свойства элементов и ряд их физических свойств объясняются поведением внешних, так называемых валентных электронов их атомов.

Поэтому периодичность свойств химических элементов должна быть связана с определенной периодичностью в расположении электронов в атомах различных элементов. Теория периодической системы основывается на следующих положениях:

а)   порядковый номер химического элемента равен общему числу электронов в атоме данного элемента;

б)   состояние электронов в атоме определяется набором их квантовых чисел п, l, m и m_s. Распределение электронов в атоме по энергетическим состояниям должно удовлетворять принципу минимума потенциальной энергии: с возрастанием числа электронов каждый следующий электрон должен занять возможное энергетическое состояние с наименьшей энергией;

в)   заполнение электронами энергетических состояний в атоме должно происходить в соответствии с принципом Паули.

(Подробнее об этом можно прочитать в теме 2.6.)

Электроны в атоме, занимающие совокупность состояний с одинаковым значением главного квантового числа п, образуют электронную оболочку, или электронный слой. В зависимости от значенийnразличают следующие оболочки:К прип = 1,Lприп = 2,Мприn= 3,N прип = 4,Оприп = 5 и т. д. Максимальное число электронов, которые могут находиться в оболочках согласно принципу Паули: вК-оболочке – 2 электрона, в оболочкахL,М,N иОсоответственно 8, 18, 32 и 50 электронов. В каждой из оболочек электроны распределяются по подгруппам или подоболочкам, каждая из которых соответствует определенному значению орбитального квантового числа. В атомной физике принято обозначать электронное состояние в атоме символомпl, указывающим значение двух квантовых чисел. Электроны, находящиеся в состояниях, характеризуемых одинаковыми квантовыми числамиnиl, называются эквивалентными. ЧислоZ-эквивалентных электронов указывается показателем степени в символеnl^z. Если электроны находятся в некоторых состояниях с определенными значениями квантовых чиселп иl, то считается заданной так называемая электронная конфигурация. Например, основное состояние атома кислорода можно выразить следующей символической формулой: 1s², 2s², 2p⁴. Она показывает, что два электрона находятся в состояниях сn= 1 иl= 0, два электрона имеют квантовые числаn= 2 иl= 0 и четыре электрона занимают состоянияc n = 2 иl= 1.

Порядок заполнения электронных состояний в оболочках атомов, а в пределах одной оболочки – в подгруппах (подоболочках) должен соответствовать последовательности расположения энергетических уровней с данными п иl. Сначала заполняются состояния с наименьшей возможной энергией, а затем состояния со все более высокой энергией. Для легких атомов этот порядок соответствует тому, что сначала заполняется оболочка с меньшимп и лишь затем должна заполняться электронами следующая оболочка. В пределах однойоболочки сначала заполняются состояния с l = 0, а затем состояния с большими l, вплоть доl=п – 1. Взаимодействие между электронами приводит к тому, что для достаточно больших главных квантовых чиселnсостояния с большимnи малымlмогут иметь меньшую энергию, то есть быть энергетически более выгодными, чем состояния с меньшимп, но с большимl. Из изложенного следует, что периодичность химических свойств элементов объясняется повторяемостью электронных конфигураций во внешних электронных подгруппах у атомов родственных элементов.