2020-10-12
151
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.
