Электронные оболочки сложных атомов

Квантовые числа, описывающие состояние электрона в атоме водорода, используют для приближенной характеристики состояния отдельных электронов сложных атомов. Однако при этом следует учитывать по крайней мере два существенных отличия сложных атомов от атома водорода:

1) в сложных атомах энергия электронов из-за их взаимодействия зависит не только от n, но и от /;

2) отличие обусловлено принципом Паули, согласно которому в атоме не может быть двух (и более) электронов с четырьмя одинаковыми квантовыми числами.

При образовании электронной конфигурации, соответствующей нормальному состоянию, каждый электрон атома стремится иметь наименьшую энергию. Если бы не принцип Паули, то все электроны расположились бы на самом нижнем энергетическом уровне. Фактически же, за некоторыми исключениями, электроны занимают ту последовательность состояний, которая указана для атома водорода в табл. 29.

Электроны с одинаковым главным квантовым числом образуют слой. Слои называются К, L, М, N и т.д. в соответствии с n = 1, 2, 3, 4... Электроны, имеющие одинаковые пары значений n и /, входят в состав оболочки, которая кратко обозначается так же, как соответствующие состояния для электрона атома водорода: 1s, 2s, 2^ и т.д. Так, например, называют 2s-оболочка, 2s-электроны и т.п.

Число электронов в оболочке обозначают справа вверху около символической записи оболочки, например 2р⁴.

Распределение электронов по оболочкам в атоме (электронные конфигурации) обычно указывают следующим образом: для азота 1s², 2s², 2р³, для кальция 1s², 2s², 2р⁶, 3s², 3р⁶, 4s² и т.д.

Так как энергия электронов сложных атомов зависит не только от n, но и от l, то построение таблицы Менделеева не всегда происходит постепенным заполнением слоев по мере усложнения атома. У калия (Z = 19), например, вместо заполнения слоя М (возможно, было 1s², 2s², 2^ ⁶, 3s², 3р ⁶, 3а¹) начинается заполнение слоя N и создается следующая электронная конфигурация: 1 s², 2 s², 2р 6, 3s2, 3р 6, 4s1.

Аналогичные отклонения от регулярного заполнения слоев имеются и у других элементов.

Всегда выполняется общее правило: электроны невозбужденного атома занимают состояние с наименьшей энергией и в соответствии с принципом Паули. На рис. 28.13 схематически без соблюдения масштаба показаны энергетические состояния сложного атома и соответствующее им число электронов.

В заключение отметим, что состояние многоэлектронного атома в целом определяется следующими квантовыми числами: L - полного орбитального момента атома, которое принимает значения 0, 1, 2, 3 и т.д.¹; J - полного момента атома, которое может принимать значения с интервалом в единицу от |L - S | до |L + S |; S - результирующего спинового момента атома; магнитного m_J, который определяет дискретные значения проекции полного момента атома на некоторую ось Z:

При заданном Jm_J принимает 2 J + 1 значений:

-J, -J + 1... +J.

¹ Не следует смешивать это обозначение с названием электронного слоя L и с полным моментом импульса электрона.