Строение электронных оболочек атомов
Рассмотрим строение отдельно взятого электронного уровня (слоя). Начиная со значения главного квантового числа n = 2, электронные уровни (L, M, N, O, P, Q - слои) подразделяются на подуровни (подслои), отличающиеся друг от друга энергией связи электрона с ядром. Число подуровней равно значению главного квантового числа, но не превышает четырех. Таким образом, 1 уровень имеет один подуровень, 2 – два, третий – 3, четвертый – 4 подуровня. Подуровни, в свою очередь, составлены из орбиталей. Принято подуровни обозначать латинскими буквами: s- первый, ближайший к ядру подуровень каждого энергетического уровня: он состоит из одной s-орбитали; p- второй подуровень, он состоит из трех р-орбиталей, d- третий подуровень, он состоит из пяти d-орбиталей; f- четвертый подуровень, содержит семь f-обиталей. Таким образом, для каждого значения n имеется (2l + 1) орбиталей.
Выше показано, что состояние электронов можно описать набором четырёх квантовых чисел, но для полного объяснения строения электронных оболочек атомов нужно знать еще три основных положения:
1) принцип В. Паули. В 1925 г. швейцарский физик В. Паули (в 1945 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике) установил правило, названное принципом Паули (или запретом Паули): в атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковыми свойствами. Поскольку свойства электронов характеризуются квантовыми числами, принцип Паули часто формулируют так: в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы.
Хотя бы одно из квантовых чисел n, l, ml, и ms должно обязательно различаться. Поэтому в атоме могут быть лишь два электрона с одинаковыми n, l и ml: один с ms = +1/2, другой с ms = -1/2. Напротив, если проекции спина двух электронов одинаковы, должно отличаться одно из квантовых чисел n, l, ml.
Зная принцип Паули, посмотрим, сколько же электронов в атоме может находиться на определенной «орбите» с главным квантовым числом n. Первой «орбите» соответствует n = 1. Тогда l = 0, ml = 0 и ms может иметь любое из двух значений: +1/2 или –1/2. Мы видим, что если n = 1, таких электронов может быть только два.
В общем случае, при любом заданном значении n электроны, прежде всего, отличаются побочным квантовым числом l, принимающим значения от 0 до (n - 1) . При заданных n и l может быть (2l + 1) электронов с разными значениями магнитного квантового числа ml. Это число должно быть удвоено, так как заданным значениям n, l, ml соответствует два разных значения проекции спина ms. Если на орбитале находится один электрон, то он называется неспаренным, если два, то это спаренные электроны. Принцип Паули поясняется формулой N = 2n2. А именно: если например, на третьем уровне (n = 3) содержится 32 = 9 орбиталей, а на каждой орбитали по 2 электрона, то максимальное число электронов составит 2∙32 = 18.
Иллюстрация
принципа Паули
2) правило Ф. Хунда (Гунда). Заполнение ячеек электронами происходит по правилу Гунда: в пределах подуровня электроны располагаются сначала каждый в отдельной ячейке (в виде так называемых «холостых» - валентных электронов), затем, когда все ячейки данного подуровня окажутся занятыми, начинается уплотнение электронов вновь поступающими, т. е. происходит их «спаривание». Иначе говоря, электроны в пределах данного подуровня (S, P, D, F) Заполняются таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным. Например, если в трех р-ячейках необходимо распределить три электрона, то они будут располагаться каждый в отдельной ячейке: в этом случае суммарный спин равен 3/2.
3) принцип наименьшей энергии (правило В.М. Клечковскогоили правило (n+l)). Последовательность заполнения атомных орбиталей в зависимости от значения главного и орбитального квантовых чисел изучена отечественным ученым Всеволодом Маврикиевичем Клечковским (1900-1972). Он установил, что энергия электрона возрастает по мере увеличения суммы квантовых чисел (n + l).
Первое правило В.М. Клечковского (1952): последовательность заполнения определяется возрастанием суммы n + l: сначала заполняется тот подуровень, где сумма (n + l) меньше.
Второе правило В.М. Клечковского: при равенстве сумм (n + l) заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания главного квантового числа, то есть сначала заполняется тот подуровень, для которого n меньше, а l больше, а потом уже подуровень с большим n.