Правило Гунда

При данном значении l (т.е. в пределах определенного подуровня) электроны располагаются таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.

Если, например, в трех p-ячейках атома азота необходимо распределить три электрона, то они будут располагаться каждый в отдельной ячейке, т.е. размещаться на трех разных p-орбиталях:

В этом случае суммарный спин равен 3/2 , поскольку его проекция равна m_s = +1/2+1/2+1/2=3/2 . Эти же три электрона не могут быть расположены таким образом:

потому что тогда проекция суммарного спина m_s = +1/2-1/2+1/2=1/2 .

Принцип наименьшей энергии

В атоме каждый электрон располагается так, чтобы его энергия была минимальной (что отвечает наибольшей связи его с ядром).

Энергия электрона в основном определяется главным квантовым числом n и побочным квантовым числом l, поэтому сначала заполняются те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел n и l является наименьшей. Например, энергия электрона на подуровне 4s меньше, чем на подуровне 3d, так как в первом случае n + 1 = 4 + 0 = 4, а во втором n + l = 3 + 2 =5; на подуровне 5s (n + l = 5 + 0 = 5) энергия меньше, чем на 4d (n + l = 4 + 2 = 6); на 5р (n + l = 5 + 1 = 6) энергия меньше, чем на 4f (n + l = 4 + 3 = 7) и т.д.

В.М. Клечковский впервые в 1961 г. сформулировал общее положение, гласящее, что электрон занимает в основном состоянии уровень не с минимальным возможным значением n, а с наименьшим значением суммы n + l.

В том случае, когда для двух подуровней суммы значений n и l равны, сначала идет заполнение подуровня с меньшим значением n. Например, на подуровнях Зd, 4р, 5s сумма значений n и l равна 5. В этом случае происходит сначала заполнение подуровней с меньшими значениями n, т.е. Зd - 4р – 5s и т.д. В периодической системе элементов Менделеева последовательность заполнения электронами уровней и подуровней выглядит следующим образом

Следовательно, согласно принципу наименьшей энергии во многих случаях электрону энергетически выгоднее занять подуровень «вышележащего» уровня, хотя подуровень "нижележащего" уровня не заполнен

Именно поэтому в четвертом периоде сначала заполняется подуровень 4s и лишь после этого подуровень Зd. 

Следующий элемент этого периода — ₂₄Сr. На основании трех основных положений — принципа Паули, правила Гунда и принципа наименьшей энергии — его электронную конфигурацию можно представить так 

хотя на самом деле у атома ₂₄Cr обнаружены некоторые аномалии и действительная его электронная конфигурация несколько иная.

Для атомов Mn, Fe, Со и Ni электронные конфигурации будут следующие

Наконец,  последние восемь элементов четвертого  периода имеют конфигурации

Принцип наименьшей энергии справедлив только для основных состояний атомов. В возбужденных состояниях электроны могут находить­ся на любых орбиталях атомов, если при этом не нарушается принцип Паули.

Наряду с химическими реакциями, в которых принимают участие только электроны, существуют различные превращения, в которых изменению подвергаются ядра атомов (ядерные реакции).

Ранее было отмечено, что в состав ядра атомов входят протоны и нейтроны. В настоящее время известно, что строение ядра более сложное. Здесь и в дальнейшем будем рассматривать ядро, состоящее из протонов и нейтронов.

Выше введено и понятие изотопа; подчеркнем, что все изотопы данного элемента имеют одинаковое число протонов, а, следовательно, все они обладают одним и тем же атомным номером Z (Z определяется именно количеством протонов в ядре).

Согласно современным представлениям химическим элементом называют вид атомов, характеризующихся одним и тем же зарядом ядра.

Протон обладает массой 1,0073 а.е.м. и зарядом +1 (за единицу электрического заряда принимается заряд электрона). Масса нейтрона равна 1,0087 а.е.м., заряд— 0. Обозначение изотопа включает в себя массовое число, т.е. атомную массу (равную сумме протонов и нейтронов — иногда эту сумму также называют нуклонным числом или просто нуклоном ) и порядковый номер (равный числу протонов в ядре). Атомная масса изотопа обычно записывается сверху слева от символа элемента, порядковый номер — снизу слева, например:  

Эта форма записи распространяется и на элементарные частицы: β-лучи, представляющие собой электроны, имеют ничтожно малое массовое число и им приписывают массовое число, равное 0. Поэтому β-частицы обозначаются символом  . α-частицы (положительные двухзарядные ионы гелия) обозначают символом  , а нейтрон и протон — соответственно   и  .

Обычно изотопы различных элементов не имеют специальных названий. Единственным исключением является водород, изотопы которого имеют специальные химические символы и названия:   — протий,  — дейтерий,  — тритий. Это связано с тем, что относительное отличие масс изотопов для водорода является максимальным.