Электронная конфигурация атома

В основе современного учения о строении атома лежат представления квантовой (волновой) механики о двойственной корпускулярно-волновой природе микрочастиц. Суть корпускулярно-волнового дуализма: любая микрочастица обладает как свойствами частицы, так и свойствами волны.

Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, его движение можно описать волновым уравнением. Такое уравнение было предложено в 1926 г. Шрёдингером. Оно связывает волновую функцию ψ с потенциальной энергией электрона (Е_n) и его полной энергией Е:

- сумма вторых производных волновой функции ψ по координатам x, y, z;

где m – масса электрона

h – постоянная Планка.

Решения уравнения Шрёдингера возможны только при вполне определенных дискретных значениях энергии электрона.

Входящую в уравнение волновую функцию, которая количественно характеризует амплитуду трёхмерной волны электрона, Шрёдингер обозначил греческой буквой ψ («пси»).

Решением волнового уравнения являются различные волновые функции ψ_1, ψ_2, ψ_{3, ….} Ψ_n,, каждому из которых соответствует своё значение энергии Е₁, Е₂, Е₃, …, Е_n. Таким образом, квантование энергии микросистемы вытекает из решения волнового уравнения. Волновая функция ψ, которая является решением уравнения Шрёдингера, называется орбиталью.

Сама волновая функция ψ физического смысла не имеет, но её квадрат ψ² выражает вероятность нахождения электрона в данной точке атомного пространства, и поэтому ψ² называют плотностью вероятности. Вероятность нахождения электрона в элементе объема (dV) определяется величиной ψ²dV.

Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно пребывание электрона называется атомной орбиталью (АО). Строго говоря, орбиталь – понятие математическое, его смысл вытекает из волнового уравнения.

Уравнение Шрёдингера имеет решение для определённых значений энергии электрона, из чего следует, что энергия электрона может принимать не любые, а лишь определённые значения. Допустимые значения энергии электрона определяются значением целого числа п –главного квантового числа. Орбитальное (побочное) квантовое число l характеризует энергию энергетического подуровня, определяет форму атомной орбитали, магнитное квантовое число т_l характеризует энергию атомных орбиталей и определяет ориентацию в пространстве атомной орбитали относительно внешней силы, спиновое квантовое число m_S указывает на ориентацию электронного спина (свойство, связанное с движением электрона как бы вокруг своей оси) по отношению к магнитному полю. Квантовые n, l и m_l принимают следующие значения:

п = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,..., ∞;

l = 0, 1, 2, 3,..., (п –1);

m _l = – l, …, –1, 0, 1,..., l.

Спиновое квантовое число может принимать только два значения: +1/2 и –1/2.

Распределение электронов по энергетическим уровням подчиняется трём основным принципам, или правилам.

1. Принцип Паули [13]: никакие два электрона в атоме не могут иметь четыре одинаковых квантовых числа, т. е. не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии.

2. Принцип наименьшей энергии (минимума энергии). Правило Клечковского [14]:

• сначала электронами заполняются те энергетические подуровни, для которых сумма (п + l) меньше, т. е. их энергия в этом положении меньше;

• если сумма (п + l) для двух электронов одинакова, то сначала электроны заполняют подуровень, соответствующий меньшему значению п.

Согласно этому принципу формирование электронных оболочек атомов элементов происходит в следующей последовательности:

1s – 2s – 2p – 3s – 3p – 4s – 3d – 4p – 5s – 4d – 5p – 6s –

– 4f ≈ 5d – 6p – 7s – 5f ≈ 6d – 7p

Эта последовательность носит название (п, l) -последовательность.

3. Правило Хунда [15]: заполнение электронами атомных орбиталей одного энергетического подуровня происходит таким образом, чтобы их суммарное спиновое число было максимальным.

Рассмотрим первый – ближайший к атомному ядру – энергетический уровень (электронный слой) со значением главного квантового числа п = 1. При этом значении орбитальное квантовое число l может принять единственное значение, равное 0, которому соответствует буквенное обозначение орбитали s. Магнитное квантовое числопри l = 0 также принимает единственное значение, равное0. Таким образом, первый энергетический уровень состоит изодной атомной орбитали, на которой, с учётом принципа Паули, могут разместиться два электрона (с различными спиновыми квантовыми числами). Количество возможных атомных орбиталей определяется как п². Таким образом, на первом энергетическом уровне могут одновременно находиться только два электрона. Максимальное число атомных орбиталей на втором энергетическом уровне равно четырём, а его ёмкость – 8 электронов (2 электрона на s-АО и 6 электронов на p-АО). Третий энергетический уровень имеет три подуровня (l = 0, 1, 2), состоящему из 9 атомных орбиталей, а его общая ёмкость равна 18 электронам.