3.5. Электронная оболочка атома

Основное состояние любой физической системы – состояние с наименьшей возможной энергией. Рассмотрим распределение электронов по состояниям в атоме. Общий принцип распределения таков: энергия электронов должна быть наименьшей, но нарушать принцип Паули нельзя.

По принципу Паули (принцип исключения) в данной квантовой системе не может находиться более одного фермиона. Электронное состояние в атоме однозначно определяется набором четырех квантовых чисел: n, l, m, s. Принцип Паули гласит: в атоме каждый электрон обладает своим набором квантовых чисел, отличным от набора этих чисел для любого другого электрона.

Общее число электронных состояний в многоэлектронном атоме при данном главном квантовом числе n равно 2n². Электроны, занимающие совокупность состояний с одинаковым значением числа n, образуют электронную оболочку (табл. 3).

Таблица 3

Главное квантовое число n……………………….. 1 2 3 4 5 6 7

Число возможных электронных состояний……… 2 8 18 32 50 72 98

Символ оболочки………………………………….. K L M N O P Q

В каждой электронной оболочке электроны распределяются по подгруппам (или подоболочкам), соответствующих данному значению l (при l  n). Максимальное число электронных состояний в подгруппе с данным l равно 2(2l + 1) (таблица 4).

Таблица 4

Орбитальное квантовое число l ………………… 0 1 2 3 4 ……

Число возможных электронных состояний……. 2 6 10 14 18 ……

Символ подгруппы… …………………………… s p d f g ……

Буквы для обозначения подгрупп попали в атомную физику из спектроскопии, где они суть первые буквы названия спектральных серий: s – sharp - резкая, p – principal - главная, d – diffuse - диффузная, f – fundamental – фундаментальная и т. д.

Порядок заполнения электронных состояний в оболочках, а в пределах одной оболочки – в подгруппах следует порядку расположения энергетических уровней с данными n и l. Сначала заполняются состояния с наименьшей возможной энергией, затем состояния со все более высокой энергией. Для легких атомов этот порядок соответствует тому, что сначала заполняется оболочка с меньшим n и лишь затем начинается заполнение электронами следующей оболочки. В пределах одной оболочки сначала заполняются состояния с l = 0, а затем состояния с большими l, до l = n – 1.

Распределение электронов по состояниям записывается в виде строки – электронной конфигурации.

Энергия электрона в атоме очень слабо зависит от величины проекций орбитального l и спинового s моментов на ось квантования. Когда эти зависимости проявляются, то их называют тонкой и сверхтонкой структурой.

Выпишем электронные конфигурации первых нескольких атомов (Z – число электронов в атоме и порядковый номер элемента):

Водород (Н) Z = 1: 1s¹.

Гелий (Не) Z = 2: 1s².

Литий (Li) Z = 3: 1s²2s¹.

…………………………………..

Углерод (С) Z = 6: 1s²2s²2p² и т. д.

Цифры на строке – значения n, буквы на строке – символы подгрупп для соответствующих значений l, а цифры над строкой – число электронов в состоянии с указанными слева значениями n и l.

Когда у всех электронов l = 0, оболочка сферически симметрична. Если в оболочке есть электроны с l = 1, электронная оболочка вытянута (эллипс).

По своим свойствам атомы существенно отличаются друг от друга. Но в атоме нет ничего, кроме ядра и электронов. Именно электроны ответственны за химические свойства веществ и их разнообразие.

Главное квантовое число n определяет «положение» электрона относительно ядра. Чем n больше, тем электрон дальше от ядра. Слово «положение» взято в кавычки потому, что электрон движется и «размазан» в атоме. С ростом величины l энергия электрона, как правило, тоже растет. Водород – исключение: энергия электрона в атоме водорода от l не зависит.

Состояние электрона в атоме можно описать распределением электронной плотности – величины пространственного электрического заряда. «Размазанные» вокруг атома электроны образуют облако, размеры которого увеличиваются с ростом главного квантового числа n пропорционально n². Электронная плотность облака характеризуется вероятностью обнаружить электрон в данной точке пространства.

Для s – состояний (орбитальное квантовое число l = 0) распределение электронной плотности имеет сферическую симметрию, причем в центре, в ядре атома, есть вероятность обнаружить электрон (рис. 37).

Для р – состояний (l = 1) распределение электронных плотностей в разных направлениях различны, зависят от абсолютного значения магнитного квантового числа m и всегда равны нулю в центре (рис. 37).

Когда атомы сближаются друг с другом и их электронные оболочки почти соприкасаются, то может произойти такая перестройка электронных конфигураций атомов, что энергия всей системы несколько уменьшится. При этом возникает связанное состояние сблизившихся атомов. Это и есть молекула.

В большинстве случаев перестройка электронной конфигурации затрагивает электроны, которые имеют в атоме наибольшую энергию и слабее других связаны со своим ядром. Их называют валентными (термин происходит от латинского слова valentia – сила, то есть валентные электроны носители силы, объединяющей атомы в молекулы). Валентные электроны ответственны за оптические и электрические свойства веществ.

Бесконечно разнообразные молекулы, построенные из атомов, являются «строительным материалом» для различных веществ, например, твердых тел.

Понятие «основное состояние», как имеющее наименьшую возможную энергию, применимо и к твердым телам. Твердые тела стабильны. Однако в основном состоянии его атомы и молекулы не прекращают своего движения. Они колеблются вокруг положений равновесия. Эти колебания называют нулевыми колебаниями, так как они происходят даже при Т = 0. Нулевые колебания – квантовый эффект: не может частица, обладающая волновыми свойствами «замереть» в положении равновесия. Это запрещено соотношениями неопределенностей.