Строение электронных оболочек атомов

Принцип Паули, правила Гунда, принцип наименьшей энергии.

В зависимости от значений главного квантового числа, существуют 7 различных элекиронных слоев (оболочек), которые ещё называют энергетическими уровнями. Для энергетических уровней в атоме, соответствующих различным значениям n, приняты следующие обозначения: 1-K,2-L,3-M,4-N,5-O,6-P,7-Q. Энергетические уровни состоят из энергетических подуровней, которые определяются значением орбитального квантового числа. Этим подуровням присвоены следующие обозначения: 0-s,1-p,2-d,3-f. В соответсвии с этими обозначениями говорят об s-подуровне, p-подуровне и т.д. Электроны, характеризующиеся значениями побочного квантового числа 0,1,2,3, называют, соответсвенно, s-электронами, p-электронами, d-электронами, f-электронами. При данном значении главного квантового числа наименьшей энергией обладают s-электроны, затем p-,d-,f-электроны.

Орбитальное квантовое число определяет форму электронного облака. Вывод об этом вытекает из физического смысла квантового числа l: оно определяет знеачение орбитального момента количества движения электрона. Например, электронное облако s-электрона имеет форму шара, p-электрона - форму гантели или двойной груши, d-электрона - "четырёхлепесковой фигуры" и т.д.

Строение каждого электронного слоя зависит от значения главного квантового числа. Так, K-слой (n = 1) состоит лишь из одной s-орбитали; L-слой (n = 2) содержит одну 2s-орбиталь и три 2p-орбитали; M-слой (n = 3) состоит из одной 3s-орбитали, трёх 3p-орбиталей и пяти 3d-орбиталей и т. д. Электронная ёмкость слоя, определяемая максимальным количеством электронов N в данном электронном слое, описывается формулой:

N = 2n2,

где n — главное квантовое число. Рассчитанное по этой формуле максимальное количество электронов в каждом слое оказывается равным: для K-слоя — 2, для L-слоя — 8, для M-слоя — 18, для N-слоя — 32 электронам.

На каждом энергетическом уровне, как и на каждом энергетическом подуровне может находиться фиксированное число электронов. Их максимальное количество можно подсчитать, пользуясь принципом Паули, согласно которому в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми. Из этого следует, что каждая атомная орбиталь, характеризующаяся определёнными значениями n,m и l, может быть занята не более чем двумя электронами, спины которых имеют противоположные знаки. Такие электроны называются спаренными. Таким образом, максимальное число электронов на энергетических подуровнях выражается формулой 2(2 l +1), а на энергетическом уровне: 2n². Распределение электронов по атомным орбиталям идёт по принципу наименьшей энергии. Наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимальному возможному значению его энергии. Любое другое его состояние является возбуждённым, неустойчивым: из него электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низкой энергией. Поэтому сначала заполняется 1s-подуровень, затем 2s,2p,3s,3d,3d и т.д. В самом энергетическом подуровне порядок размещения электронов в атоме подчиняется общей закономерности, выражаемой правилом Гунда: устойчивому состоянию атома соответсвует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально.