7.7 Атомы

Как было указано в п.7.2. положительно заряженные ядра благодаря силам электромагнитного взаимодействия образуют с отрицательно заряженными электронами устойчивые электрически нейтральные системы, называемые атомами.

Электрическая нейтральность атома означает, что количество электронов, сгруппированных вокруг ядра, равно числу протонов в ядре.

Простейшим атомом является атом водорода, который состоит из одного электрона и одного протона. Энергия электрона в атоме является величиной квантовой, т.е. может принимать только определенные значения, зависящие от так называемых квантовых чисел: главного квантового числа, орбитального (азимутального или побочного) квантового числа, магнитного квантового числа и спинового квантового числа.

Электрон находится в постоянном движении вокруг ядра, причем для этого движения принципиально не могут быть указаны "орбиты" (траектории). Можно лишь представить электронное "облако" в виде не имеющей четких границ области пространства, где пребывание электронов наиболее вероятно.

Главное квантовое число n определяет радиус электронного облака, номер уровня или общую энергию электрона на данном уровне (n = 1,2 ...7).

Рис.7.5. Схематическое изображение электронных "облаков"

Электроны с одинаковыми значениями n образуют в атоме электронные облака приблизительно одинаковых размеров, т.е. они находятся в одном электрическом слое (рис.7.5,а). Переход электрона с одного энергетического уровня на другой связан со скачкообразным изменением энергии (квантами).

Орбитальное квантовое число l определяет форму и размеры электронного облака, его ориентацию в пространстве.

Цифровое значение lможет быть:l= 0,1, 2...n-1.

Буквенное обозначение s, p, d., f, g.

Например, при l= 0, независимо от значения n, электронное облако всегда имеет сферическую форму (рис.7.5,а), приl= 1- форму гантели (рис. 7.5,б) с расположением в ней области высокой вероятности нахождения электронов, приl= 2 - форма напоминает 4 груши, обращенные “хвостиками” в сторону ядра (рис. 7.5,в). Состояние электрона, характеризующееся различными значениямиl,называютэнергетическими подуровнями электрона в атоме и обозначают при:

n 1 2 3 4 ...

l 0 0;1 0;1;2 0;1;2;3

Букв.

обозначение 1s 2s2p 3s3p3d 4s4p4d4f подуровня

Электроны одного подуровня характеризуются одинаковой формой электронного облака, а число подуровней равно номеру уровня (рис.7.6).

Рис.7.6. Электронные орбиты при n = 4

Так, например, в первом электронном уровне электроны образуют один s подуровень, т.е. здесь имеются только электроны со сферической формой электронного облака, а в третьем уровне - три подуровня s, p, d.

Магнитное квантовое число m_e используется для характеристики трехмерной (объемной) модели атома. Оно может принимать целочисленные значения в пределах от -1 до +1 включительно.

Спиновое квантовое число m_sуказывает, что электрон, находящийся на какой-либо орбите, может характеризоваться одним из двух противоположных направлений вращения вокруг собственной оси.

Имеется два разрешающих значения +1/2 и -1/2. В многоэлектронных атомах картина “электронных облаков” оказывается более сплошной. Электроны в атоме образуют систему, находящуюся в различных квантовых состояниях, которые определяются квантовыми числами n, l,m_e, m_s,.

При этом согласно принципу Паули, в атоме или системе взаимодействующих атомов каждое квантовое состояние может быть занято лишь одним электроном, т.е. никакие два электрона не могут иметь одинаковые наборы всех четырех квантовых чисел.

Представим электронное окружение ядра в атоме как систему уровней энергии, расположенных в порядке, соответствующем принципу Паули. Этот порядок изобразим в виде схемы (рис.7.7.).

Рис.7.7. Схема размещения уровней энергии.

В соответствии с этим принципом электроны атома в основном состоянии занимают оболочку с наименьшей энергией. При переходе от атома с порядковым номером z к атому с порядковым номером z+1 число электронов в верхней оболочке атома увеличивается на единицу. Добавленный электрон занимает наинизший из незанятых другими электронами энергетический уровень. Полное число N состояний электрона (или допустимое число электронов в каждой оболочке) определяется главным квантовым числом n как N= 2n².

Таким образом, при n = 1 во 2-ой оболочке может находиться лишь два электрона (2 1²), во второй оболочке (при n=2) - 8 электронов (22²) и т.д.

Число электронов N в каждой подоболочке (подуровне) определяется орбитальным квантовым числом lкак N = 2(2l+1). Последовательность состояний с ростом энергии определяется так: 1s; 2s;2p;3s;3p;3d... (см. рис.7.7.).

Таким образом, электроны с одинаковым значением n образуют оболочку. Электроны с одинаковым значением lобразуютподоболочку.

Порядок заполнения электронных оболочек и подоболочек в многоэлектронных атомах определяется принципом Паули, которым можно объяснить периодическую повторяемость физических и химических свойств атомов, обобщенную в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.