8. Багатоелектронних атомів. Принцип Паулі

У багатоелектронних атомів, заряд якого дорівнює Ze, електрони будуть займати різні «орбіти» (оболонки). При русі навколо ядра Z-електрони розташовуються відповідно до квантово-механічним законом, який називається принципом Паулі ( 1925 р .). Він формулюється так:

► 1. У будь-якому атомі не може бути двох однакових електронів, обумовлених набором чотирьох квантових чисел: головного n, орбітального /, магнітного m і магнітного спінового m s.

► 2. У станах з певним значенням можуть перебувати в атомі не більше 2n 2 електронів.

Значить, на першій оболонці («орбіті») можуть бути лише 2 електрони, на другий - 8, на третій - 18 і т. д.

Таким чином, сукупність електронів в багатоелектронних атомів, що мають одне і те ж головне квантове число n, називають електронною оболонкою. У кожній з оболонок електрони розташовуються по подоболочкам, які відповідають певному значенню /. Так як орбітальне квантове число l приймає значення від 0 до (п - 1), число подоболочек одно порядковому номеру оболонки п. Кількість електронів у подоболочке визначається магнітним квантовим числом m l і магнітним спінові числом m s.

Принцип Паулі зіграв видатну роль в розвитку сучасної фізики. Так, наприклад, вдалося теоретично обгрунтувати періодичну систему елементів Менделєєва. Без принципу Паулі неможливо було б створити квантові статистики та сучасну теорію твердих тіл.

9. Квантово-механічний обгрунтування Періодичного закону д.І. Менделєєва

У 1869 р . Д. І. Менделєєв відкрив періодичний закон зміни хімічних і фізичних властивостей елементів залежно від їхніх атомних мас. Д. І. Менделєєв увів поняття порядкового номера Z-елемента і, розташувавши хімічні елементи в порядку зростання їх номери, отримав повну періодичність у зміні хімічних властивостей елементів. Фізичний сенс порядкового номера Z-елемента в періодичній системі був встановлений в ядерній моделі атома Резерфорда: Z збігається з числом позитивних елементарних зарядів у ядрі (протонів) і, відповідно, з числом електронів в оболонках атомів.

Принцип Паулі дає пояснення Періодичної системи Д. І. Менделєєва. Почнемо з атома водню, що має один електрон і один протон. Кожен наступний атом будемо отримувати, збільшуючи заряд ядра атома попереднього на одиницю (один протон) і додаючи один електрон, який ми будемо розміщувати в доступне йому, згідно з принципом Паулі, стан.

У атома водню Z = 1 на оболонці 1 електрон. Цей електрон знаходиться на першій оболонці (K-оболонка) і має стан 1S, тобто в нього n = 1, а l = 0 (S-стан), m = 0, m s = ± l / 2 (орієнтація його спина довільна ).

У атома гелію (Не) Z = 2, на оболонці 2 електрони, обидва вони розташовуються на першій оболонці і мають стан 1S, але з антипараллельной орієнтацією спінів. На атомі гелію закінчується заповнення першої оболонки (K-оболонки), що відповідає завершенню I періоду Періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. За принципом Паулі, на першій оболонці більше 2 електронів розмістити не можна.

У атома літію (Li) Z = 3, на оболонках 3 електрона :2-на першій оболонці (К-оболонці) и1-на другий (L-оболонці). На першій оболонці електрони в стані 1S, а на другий - 2S. Літієм починається II періодтабліци.

У атома берилію (Be) Z = 4, на оболонках 4 електрони: 2 на першій оболонці в стані IS і 2 на другий у стані 2S.

У наступних шести елементів - від В (Z = 5) до Ne (Z = 10) - йде заповнення другий оболонки, при цьому електрони перебувають як у стані 2S, так і в стані 2р (у другої оболонки утворюється 2 під-оболонки).

У атома натрію (Na) Z = 11. У нього перша і друга оболонки, згідно з принципом Паулі, повністю заповнені (2 електрона на першій і 8 електронів на другий оболонках). Тому одинадцятий електрон розташовується на третьому оболонці (М-оболонці), займаючи найнижчі стан 3 S. натрієм відкривається III період Періодичної системи Д. І. Менделєєва. Міркуючи таким чином, можна побудувати всю таблицю.

Таким чином, періодичність у хімічних властивостях елементів пояснюється повторюваністю у структурі зовнішніх оболонок у атомів споріднених елементів. Так, інертні гази мають однакові зовнішні оболонки з 8 електронів.