Формы орбиталей, соответствующие различным значениям l

Рис.34.2

Таким образом, энергетический подуровень- это состояние электрона в атоме, характеризующееся определенным набором квантовых чисел n, l. Такое состояние электрона, соответствующее определенным значениям n и l (т.е. тип орбитали), записывается в виде сочетания цифрового обозначения n и буквенного l, например:4р (n=4; l=1); 5d (n =5; l =2).

Магнитное квантовое число m_l определяет значение орбитального момента количества движения электрона L на произвольно выделенную ось z: L_z =m_l, т.е. характеризует пространственную ориентацию электронного облака. Оно принимает все целочисленные значения от – l до + l, например, при l=0 m_l =0, при l=1 m_l =-1,0,+1; при l=2 m_l =-2,-1,0,+1,+2

В общем виде любому значению при l соответствует (2l+1) значений магнитного квантового числа, т.е. (2l+1) возможных расположений электронного облака данного типа в пространстве. Следовательно, можно говорить, что число значений n указывает на число орбиталей с данным значением l. s –состоянию соответствует одна орбиталь, p- состоянию –три, d—состоянию – пять, f –состоянию семь. Все орбитали, соответствующие какому-либо состоянию, имеют одинаковую энергию и называются вырожденными.

Общее число орбиталей, из которых состоит любой энергетический уровень, равно n², а число орбиталей, составляющих подуровень - (2l+1).

Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными значениями квантовых чисел n, l, m_l,, т.е. определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака, называется атомной электронной оболочкой.

Спиновое квантовое число S характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси. Оно может иметь только два значения +1/2 или –1/2.

Общая характеристика состояния электрона в многоэлектронном атоме определяется принципом Паули: в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы.

Следовательно, на одной орбитали могут находится не более двух электронов, отличающихся друг от друга значениями спинового квантового числа; максимальная емкость энергетического подуровня 2(2l+1) электронов, а уровня 2n².

34.5. Спин электрона

Штерн и Герлах обнаружили, что узкий пучок атомов водорода, заведомо находящихся в s-состоянии, в неоднородном магнитном поле расщепляется на два пучка. В этом состоянии момент импульса электрона равен нулю. Магнитный момент атома, связанный с орбитальным движением электрона, пропорционален механическому моменту, поэтому он равен нулю и магнитное поле не должно оказывать влияния на движение атомов водорода в основном состоянии, т. е. расщепления быть не должно. Однако в дальнейшем при применении спектральных приборов с большой разрешающей способностью было доказано, что спектральные линии атома водорода обнаруживают тонкую структуру (являются дублетами) даже в отсутствие магнитного поля.

Для объяснения тонкой структуры спектральных линий, а также ряда других трудностей в атомной физике Д. Уленбек и С. Гаудомит предположили, что электрон обладает собственным неуничтожимым механическим моментом импульса, не связанным с движением электрона в пространстве, — спином.

Спин электрона (и всех других микрочастиц) — квантовая величина, у нее нет классического аналога; это внутреннее неотъемлемое свойство электрона, подобное его заряду и массе.

Если электрону приписывается собственный механический момент импульса (спин) L_s то ему соответствует собственный магнитный момент р_ms. Согласно общим выводам квантовой механики, спин квантуется по закону

L_s =ћ, (34.15)

где s— спиновое квантовое число.

По аналогии с орбитальным моментом импульса, проекция L_sz спина квантуется так, что вектор L_s, может принимать 2s +1 ориентации. Так как в опытах Штерна и Герлаха наблюдались только две ориентации, то 2 s +1=2, откуда s = 1/2. Проекция спина на направление внешнего магнитного поля, являясь квантованной величиной, определяется выражением

L_sz= ћm_s (34.16)

где m_s — магнитное спиновое квантовое число; оно может иметь только два значения: m_s =±1/2.

Таким образом, опытные данные привели к необходимости характеризовать электроны (и микрочастицы вообще) добавочной внутренней степенью свободы. Поэтому для полного описания состояния электрона в атоме необходимо наряду с главным, орбитальным и магнитным квантовыми числами задавать еще магнитное спиновое квантовое число.