S-орбитали атома водорода

Хотя значения энергии в атоме водорода зависят только от главного квантового числа n  , квантовые числа l   и m   тоже играют важную роль. Они определяют форму орбиталей и другие свойства, присущие атому водорода. Например, квантовое число m   называется магнитным квантовым числом. Три 2 p -орбитали (2 p ₁, 2 p ₀ и 2 p _−1) различаются значениями квантового числа m  . Когда атом водорода помещают в магнитное поле, энергии этих трёх орбиталей перестают быть одинаковыми.

Из диаграммы энергетических уровней, вычисленных с помощью уравнения Шрёдингера (см. рис. 10.1), становится ясно, как возникает эмпирическая диаграмма, представленная на рис. 9.3. Оптические переходы, видимые как линии в спектре атома водорода и описываемые формулой Ридберга, — это переходы между энергетическими уровнями атома водорода, энергии которых вычисляются на основе квантовой теории без каких-либо подгоночных параметров.

Как уже упоминалось, квантовые числа n, l   и m   вместе определяют формы волновых функций. Для s -орбиталей l  =0. Это означает, что электрон не имеет углового момента^{14} в своём движении относительно ядра атома. Все направления выглядят равноценными, так что s -орбитали — это сферически симметричные трёхмерные волны амплитуды вероятности. На рис. 10.2 схематически показаны орбитали (волны амплитуды вероятности) 1 s, 2 s и 3 s. Более тёмный тон означает бо́льшую вероятность обнаружить электрон на соответствующем расстоянии от центра. Расстояния, на которых вероятности достигают максимума, показаны сплошными окружностями. Середины белых областей внутри орбиталей 2 s и 3 s (пунктирные окружности) — это узлы, то есть области, где вероятность обнаружить электрон обращается в нуль. При переходе от 1 s к 2 s и 3 s размеры орбиталей значительно возрастают. С увеличением квантового числа n   повышается вероятность обнаружить электрон вдали от ядра.

Рис. 10.2. Двумерные представления орбиталей  1 s,  2 s и  3 s. В действительности они сферические. Более тёмный тон соответствует более высокой вероятности обнаружения электрона. Сплошными окружностями обозначены максимальные значения этой вероятности. Пунктирные окружности — это узлы, где данная вероятность обращается в нуль. При данном способе изображения орбитали имеют довольно чёткую внешнюю границу. Орбитали — это волны, которые становятся очень малыми на больших расстояниях, но обращаются в нуль лишь тогда, когда расстояние от центра стремится к бесконечности

Увеличение размера орбиталей — одна из причин того, что энергия возрастает с увеличением квантового числа n  . Формула для энергетических уровней атома водорода начинается со знака «минус»: E  _n= − R  _H/ n  ². Принято считать, что более низкая энергия — это бо́льшая по абсолютной величине отрицательная энергия. Атом водорода состоит из протона и электрона, притягивающихся друг к другу в результате кулоновского, то есть электростатического, взаимодействия. Противоположные заряды притягиваются. Протон — это положительно заряженная частица, а электрон заряжен отрицательно. Когда протон и электрон разнесены бесконечно далеко, они не ощущают влияния друг друга. Взаимодействия между ними из-за большого расстояния нет. Система имеет нулевую энергию, когда её частицы разнесены на бесконечно большое расстояние.

Взаимодействие электрона и протона усиливается по мере того, как они сближаются. Энергия системы убывает, становясь всё более отрицательной. На орбитали 2 s электрон в среднем находится дальше от протона, чем на орбитали 1 s, на орбитали 3 s электрон в среднем ещё дальше от протона. Это видно на рис. 10.2. С увеличением квантового числа энергия выражается всё меньшими отрицательными числами. При больших значениях n требуется меньше энергии, чтобы разделить электрон и протон, то есть ионизировать атом. Ионизация — это процесс отрыва электрона от атома, так что они более не связаны друг с другом. При n  =1 для ионизации атома требуется энергия R  _H. Её нужно передать атому, чтобы превзойти энергию связи, равную — R  _H. При n  =2 энергия, требуемая для ионизации атома водорода, составляет всего R  _H/4, а при n  =3 необходимая энергия ещё меньше и составляет R  _H/9.