1.3.5 Атомные орбитали

Состояние электрона в атоме, характеризующееся тремя квантовыми числами n, l, m_l , называется атомной орбиталью. Часто орбиталь также определяют как область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона.

Совокупность орбиталей с одним и тем же значением главного квантового числа n образует энергетический уровень. Орбитали некоторого энергетического уровня, характеризующиеся одним и тем же значением орбитального квантового числа l, образуют энергетический подуровень.

О чевидно, что число орбиталей на подуровне равно числу значений магнитного квантового числа m_l, которые оно может принимать при данном l. Так, на любом энергетическом уровне может находиться только одна s-орбиталь; она и образует s-подуровень. Если некоторый энергетический уровень образован также орбиталями другого типа, то p-орбиталей всегда будет три; они образуют p-подуровень. d-подуровень образован пятью d-орбиталями, а семь f-орбиталей образуют f-подуровень.

Графическое изображение орбитали:

Например, показанные ниже орбитали все вместе образуют третий энергетический уровень, так как все они характеризуются одним и тем же значением главного квантового числа n = 3. Третий энергетический уровень делится на три подуровня, несколько различающихся по энергии: s-орбитали имеют более низкую энергию, чем p-орбитали, а p-орбитали, более низкую энергию, чем d-орбитали. Каждый подуровень образован орбиталями с одинаковым значением орбитального квантового числа l.

1.3.6 Спиновое квантовое число

Исследование атомных спектров показало, что помимо квантовых чисел n, l, m_l, электрон характеризуется ещё одной квантованной величиной, не связанной с движением электрона вокруг ядра, а определяющей его собственное движение. Эта величина получила название спинового квантового числа (m_s). У электрона спиновое квантовое число может принимать два значения: m_s = +1/2 и m_s = -1/2 . Схематическое изображение:

Четыре квантовых числа n, l, m_l, m_s однозначно определяют состояние электрона в атоме.

1.3.7 Принцип Паули

Согласно принципу Паули в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы. Из этого следует, что на каждой атомной орбитали, характеризующейся определёнными значениями n, l, m_l , может находиться не более двух электронов, причём спины этих электронов должны быть противоположно направлены (так как только в этом случае спиновые квантовые числа электронов будут отличаться: у одного электрона m_s = +1/2, у другого m_s = -1/2).

О бозначение неспаренного электрона на атомной орбитали:

О бозначение двух спаренных электронов с противоположными спинами, находящихся на одной атомной орбитали:

1.4 Периодическая система химических элементов

1.4.1 Элементы первого периода (h, He)

Порядковый номер элемента в периодической таблице равен заряду ядра атома Z, а следовательно, и общему числу электронов в атоме.

Наиболее устойчивое (невозбуждённое) состояние электрона в атоме соответствует минимально возможному значению энергии данного электрона. Любое другое состояние является возбуждённым; из него электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низкой энергией.

В невозбуждённом атоме водорода (Z = 1) единственный электрон находится на самом низком из возможных энергетических уровней: n = 1. В этом случае орбитальное квантовое число может принимать только одно значение l = 0. Следовательно, первый энергетический уровень образован единственной s-орбиталью, на которой и находится электрон.

Э лектронно-графическая схема атома водорода:

Электронная формула атома водорода: 1s¹.

В атоме гелия (Z = 2) второй электрон также находится на 1s орбитали. Электронная формула атома гелия: 1s².

Электронно-графическая схема атома гелия: