Квантовые числа как характеристика состояния электрона в атоме. Физический смысл квантовых чисел. Энергетический уровень, подуровень. Атомная орбиталь. Форма и ориентация электронных облаков.

Для характеристики орбиталей и электронов используются квантовые числа.

Главное квантовое число (n) определяет общую энергию электрона на данном уровне, или средний радиус электронного облака. Оно принимает натуральные значения от 1 до ∞ (до бесконечности). В реальных атомах n имеет 7 значений, обозначаемых латинскими буквами K, L, M, N, O, P, Q. Значение n=1 отвечает уровню с самой низкой энергией (т.е. наиболее устойчивому состоянию электрона). Теоретически количество уровней не ограничено, но в атоме главным образом бывают заняты электронами уровни с низкой энергией.

Побочное (орбитальное) квантовое число (ℓ) – характеризует форму орбиталей и облаков, используется для характеристики энергетических подуровней. Оно может принимать в пределах каждого уровня целочисленные значения от 0 до n–1. Таким образом, уровень в зависимости от ℓ подразделяется на подуровни, которые имеют также буквенные обозначения: s (ℓ = 0) орбиталь имеет форму шара, p (ℓ = 1) орбиталь имеет форму гантели, d (ℓ = 2), f (ℓ = 3). Электроны, находящиеся в этих состояниях, называются s-, p-, d- и f-электронами.

Изменение значения волновой функции электронов, находящихся на 1s- 3ss ние значения волновой функции электронов, находящихся на, 2s-, 3s-, 2p-, 3p-, 3d-подуровнях в зависимости от расстояния (R) от ядра атома: Только значение волновой функции s-электронов отлично от нуля в начале координат (ядро атома), причем, она (а значит и ее квадрат) обладает сферической симметрией. Волновые функции имеют узлы волновой функции – это точки пересечения кривой оси абсцисс, в которых значение волновая функции равно нулю. Количество узлов определяется значениeмm главного и орбитального квантовыx чисел. Так, 1s – функция не имеет узлов, 2s – один узел, 3s - два узла, и т.д. 2р – имеет узел в начале координат, 3р – два узла, и т.д.ddddd s ферической симметриейs-облако обладает сферической симметрией, т.е. имеет форму шара. График волновой функции Y расположен по одну сторону от оси абсцисс, т.е. волновая функция 1s-электрона положительна. Для p-электрона при удалении от ядра по некоторому направлению волновая функция имеет перегиб. По одну сторону от ядра Y положительна, а по другую – отрицательна (не путать знак волновой функции со знаком электрического заряда!). В начале координат Y обращается в нуль. В отличие от s-орбитали, p-орбиталь не обладает сферической симметрией, а имеет форму, напоминающую гантель.

Знаки “+” и “–” относятся не к вероятности нахождения электрона (она всегда положительна и равна |Y|²), а к волновой функции, которая в разных частях электронного облака имеет различный знак. Еще более сложную форму имеют электронные облака d- и f-электронов. Например, d-орбитали могут иметь четырехлепестковое строение, причем знаки волновой функции в “лепестках” чередуются.

Магнитное квантовое число (m_l) – характеризует направление орбиталей (электронных облаков в пространстве). Магнитное квантовое число m_ℓ для данного подуровня – это целочисленная величина в диапазоне от –l до +l. Таким образом, при данном ℓ оно имеет (2ℓ+1) различных значений. Например, для s-подуровня (ℓ = 0) имеется только одно значение m_ℓ, равное нулю. Поэтому s-подуровень содержит единственную орбиталь. Для p-подуровня (ℓ = 1) возможны три значения: m_ℓ{–1,0,1}. В соответствии с этим каждый p-подуровень состоит из трех орбиталей гантелеобразной формы, ориентированных перпендикулярно друг другу вдоль трех координатных осей и обозначаемых px, py, pz. Легко определить, что на d-подуровне (ℓ = 2) содержится 2ℓ+1=5 орбиталей, а на f-подуровне (ℓ = 3) – 7 орбиталей. Графически любая орбиталь изображается в виде клетки (квантовой ячейки – атомная орбиталь).

Спиновое квантовое число (m_s) не связано с движением электрона вокруг ядра, а определяет его собственное состояние- характеризует вращение электрона вокруг своей оси и принимает два значения: +1/2 (стрелка вверх) и –1/2 (стрелка вниз).

Энергетический уровень – это совокупность орбиталей, которые имеют одинаковое значение главного квантового числа.

Энергетический подуровень – это совокупность орбиталей, которые находятся на одном энергетическом уровне и имеют одинаковую форму.

ЭУ электронный уровень, ЭПУ – электронный подуровень, АО – атомная орбиталь (квантовая ячейка), которую принято изображать клеткой. Электроны на орбиталях изображены стрелками ↑↓, направленными вверх или вниз в зависимости от знака спинового квантового числа. Изображение электронной структуры атома или иона с помощью клеток и стрелок называется электронно-графической формулой.