Многоэлектронные атомы и периодический закон Менделеева
Четыре квантовых
числа
полностью характеризуют состояние
одного электрона в поле атомного ядра.
В многоэлектронном атоме нужно учитывать
еще и взаимодействие электронов друг
с другом.
Для того, чтобы качественно разобраться в строении и свойствах сложных атомов необходимо упомянуть следующие положения:
согласно принципу Паули, в одном и том же атоме не может быть двух электронов, у которых были бы одинаковыми все четыре квантовых числа;
в основном состоянии атом и электрон в нем обладают наименьшей энергией.
Учитывая это, можно установить связь между строением электронных оболочек атома и его местом в периодической системе Менделеева.
Наименьшее значение
главного квантового числа
,
следовательно,
.
Согласно определению, величина
,
а
.
В соответствии со схемой, рассмотренной
нами ранее, можно сказать, что электрон
в атоме водорода находится в состоянии
.
В атоме гелия
(порядковый номер
)
его второй электрон также может находиться
в состоянии
,
то есть иметь такие же квантовые числа
,
но спин второго электрона должен быть
ориентирован противоположно спину
первого (для одного из них
,
для другого
).
Группа состояний с
образует заполненную
-оболочку
атома, соответствующую завершению
первого периода системы Менделеева.
Следующий за гелием
элемент – литий – содержит три электрона.
По принципу Паули третий электрон атома
лития уже не может разместиться в
заполненной
-оболочке
и занимает низшее состояние в оболочке
с
или
-
оболочке. Таким состоянием является
состояние
(
).
Литием начинается второй период системы
Менделеева.
Четвертый элемент – бериллий. В бериллии четвертый электрон отличается от третьего только значением спина. Он тоже попадает в состояние .
В атоме бора пять
электронов. Пятый электрон уже не может
попасть в состояние
,
он оказывается в состоянии
.
Таким образом, у бора два электрона
находятся в состоянии
,
2 электрона - в состоянии
и один – в состоянии
,
так как при
,
а в каждом из этих состояний
.
В последующих
четырех элементах C,
N,
O,
F
электроны
заполняют постепенно все
состояния. У неона вся оболочка с
заполнена. У натрия одиннадцатый электрон
должен находиться в оболочке с
(M-
оболочка). Так как по определению
принимает только целочисленные значения,
лежащие в интервале от 0 до
,
то при
квантовое число
может иметь три разных значения
.
При l=0
в состоянии
могут быть два электрона с противоположными
спинами. При l=1
в состоянии
может быть 6 электронов. При l=2
в состоянии
квантовое число
имеет
пять значений
.
В каждом из них могут находиться по два
электрона с противоположными спинами,
то есть всего в состоянии
могут быть 10 электронов.
Изложенное выше, позволяет понять, чем определяется периодичность свойств установленная Менделеевым.
У атомов гелия, неона и аргона (строка в таблице Менделеева) оболочки целиком заполнены и свойства этих элементов схожи. У атомов Li, Na, K (столбец в таблице Менделеева) имеется по одному электрону сверх заполненных оболочек. Эти элементы также обладают схожими свойствами. Таким образом, сходство физических и химических свойств есть следствие сходства строения электронных оболочек атомов.
Создание периодической системы Менделеева и ее теоретическое объяснение явилось величайшим достижением современной физики. Оно оказалось возможным лишь на основе квантовой механики.