5. Будова атома

Квантово-механічна модель атома

Підтверджена експериментально в 1927 р. двоїста природа електрона, що має властивості не тільки частки, але і хвилі, спонукала вчених до створення теорії будови атома, що враховує обоє ці властивості. Подвійність властивостей електрона виявляється в тім, що він, з одного боку, має властивості частки (має певну масу спокою), а з іншого боку – його рух нагадує хвилю і може бути описаний певною амплітудою, довжиною хвилі, частотою коливань і ін. Тому не можна говорити про яку-небудь визначену траєкторію руху електрона – можна лише судити про той чи інший ступінь імовірності його перебування в даній точці простору.

Електронна орбіталь – не визначена лінія переміщення електрона, а деяка частина простору навколо ядра, у межах якого імовірність перебування електрона найбільша. Електронна орбіта не характеризує послідовність переміщення електрона від точки до точки, а визначається імовірністю перебування електрона на визначеній відстані від ядра. Електронна хмара не має різко обкреслених границь, і навіть на великій відстані від ядра існує імовірність перебування електрона. Стан електрона в атомі описується чотирма квантовими числами.

1. Головне квантове число n характеризує величину енергії електрона і може приймати тільки позитивні цілочислові значення: 1, 2, 3 і т. ін. Зі збільшенням головного квантового числа енергія електрона зростає. Стан електрона, що відповідає певному значенню головного квантового числа, називають енергетичним рівнем електрона в атомі. Крім енергії електрона головне квантове число визначає розміри електронної хмари: чим вище значення головного квантового числа, тим більше електронна хмара (електронний шар). Електронні шари позначають великими буквами латинського алфавіту K, L, M, N, O, причому K-шар є першим від ядра атома, йому відповідає головне квантове число n = 1, L-шар – другим, M-шар – третім і т.ін. Зі збільшенням головного квантового числа змінюються число і характер електронних орбіталей у межах даного електронного шару. Максимальна кількість електронів N у даному електронному шарі, описується формулою: N = 2n².

2. Орбітальне квантове число l описує форму електронної хмари і може приймати будь-які цілочислове значення від 0 до (n – 1). Відповідні орбіталі позначаються малими літерами латинського алфавіту: s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2), f (l = 3). Орбітальне квантове число відображає енергію електрона на підрівні. Електрони з різними орбітальними квантовими числами трохи відрізняються друг від друга: їхня енергія тим вище, чим більше число l. Число можливих підрівнів у кожному енергетичному рівні збігається з порядковим номером електронного шару, але фактично жоден енергетичний рівень не містить більше чотирьох підрівнів. Це справедливо для стаціонарного стану атомів всіх елементів. Так, першому енергетичному рівню відповідає s-підрівень; другому рівню – два підрівня: s і p; третьому рівню – три підрівня: s, p і d; четвертому і наступним – чотири підрівня: s, p, d і f.

3. Магнітне квантове число m_l визначає орієнтацію орбіталей у просторі. Магнітне квантове число m може приймати цілочислові значення від –l до +l, у тому числі нульове значення. Воно визначає число орбіталей у електронному шарі: s-підрівень (m = 0), 3p-підрівень містить три орбіталі

р-підрівень

m_l –1 0 +1

d-підрівень містить п'ять орбіталей

d-підрівень

m_l –2 –1 0 +1 +2

f-підрівень містить сім орбіталей

f-підрівень

m_l –3 –2 –1 0 +1 +2 +3.

Орбіталі з різними магнітними квантовими числами, але з однаковим головним і орбітальним квантовими числами, характеризуються однієї і тією же енергією. m – вектор, якому відповідає визначене числове значення і визначений напрямок, що виражається в знаках "+" і "–".

4. Спінове квантове число m_s раніш зв'язували з обертанням електрона навколо своєї осі, але тепер його вважають чисто квантово-механічною величиною. Спін електрона може мати два значення: +½ і –½.