Рассмотрим атом в невозбужденном состоянии. Состояние каждого электрона этой системы описывается квантовыми числами , , и .
Электроны в атомах распределяются по состояниям в определенном порядке в соответствии с принципом Паули, т.е. в каждом состоянии может находиться не более одной частицы с полуцелым спином.
Энергия электрона определяется главным образом числами и (от взаимной ориентации моментов и , т.е. от квантовых чисел и , энергия электрона зависит значительно слабее). Совокупность электронов с одинаковым образует оболочку (оболочки принято обозначать буквами , , , , и т.д.). Число электронных состояний (уровней) в оболочке с учетом спина равно кратности вырождения, т.е. равно . Оболочки подразделяются на подоболочки, отличающиеся значением числа .
Как же заполняются электронные оболочки атомов?
( -оболочка); ( -состояние); ; 2 электрона; форма облака – сфера.
( -оболочка);
( -состояние); ;
( -состояние); ; 8 электронов
;
;
форма облака – 3 гантели, ориентированные в 3-х взаимноперпендикулярных направлениях.
|
|
( -оболочка);
( -состояние); ;
( -состояние); ; 8 электронов
;
;
( -состояние); ;
;
; 18 электронов
;
;
Символы наглядно обозначают .
Полностью заполненные оболочки и подоболочки имеют , и .
Например, -подоболочка: и это единственное значение, поэтому , также (т.к. ), следовательно, .
Это важный результат: при определенных квантовых числах и атома заполненные оболочки можно не принимать во внимание. Оболочки (или подоболочки), полностью заполненные электронами, называют замкнутыми. Основным термом замкнутых оболочек (подоболочек) является .
Закономерность заполнения электронных оболочек в атомах соответствует периодической системе элементов Менделеева.
Если происходит заполнение только -оболочки – это I период (H, He), заполнение - и -оболочкек – II период (от Li до Ne), заполнение -, - и -оболочки – III период (от Na до Ar, - и - состояния).
Каждый следующий атом получается из предыдущего добавлением одного электрона, который помещают в разрешенное принципом Паули состояние.
Распределение электронов в атоме называется электронной конфигурацией. Например, электронная конфигурация Na - . Здесь полностью заполнены - и -оболочки. Электрон в - состоянии является валентным. Терм атома натрия в основном состоянии . Следует отметить, что наблюдаемая периодичность химических и ряда физических свойств объясняется поведением именно внешних, валентных электронов.
До IV периода заполнение оболочек и подоболочек имеет «идеальный» характер. В четвертом периоде дальнейшее заполнение электронных оболочек происходит не за счет заполнения - состояния - оболочки, а за счет заполнения - состояния -оболочки. Это происходит из-за того, что уровень оказывается выше, чем уровень . Такая конфигурация является энергетически более выгодной. Причина - экранировка ядра атома внутренними электронами. Влияние экранировки тем больше, чем больше число электронов в атоме.
|
|
Термы основных состояний атомов определяются состояниями валентных электронов.
Термы первых четырех элементов можно легко определить – для этого достаточно принципа Паули:
для водорода - ,
для гелия - ,
для лития - ,
для берилия - .
У бора пятый электрон занимает одно из -состояний (, , или ) – термы соответствующих состояний и . Какой из этих термов соответствует основному состоянию атома? Ответить на этот вопрос
позволяют полуэмпирические правила Хунда:
1) из термов, принадлежащих данной электронной конфигурации наименьшей энергией обладает терм с наибольшим квантовым числом и наибольшим возможным при данном числом ;
2) при этом полное квантовое число атома принимает значение , если подоболочка заполнена меньше, чем наполовину, в остальных случаях .
Минимальной энергии соответствуют состояния с наибольшим значением суммарного спина, а среди них наименьшим будет уровень с наибольшим орбитальным моментом.