Състоянието на електроните в атомите - Вие знаете как

Ориз. 27. Опростени схеми на атоми на елементи от I-III периоди

Концепцията за вълновата механика. Теорията на Бор оказа огромна услуга на физиката и химията, като се приближи, от една страна, до откриването на законите на спектроскопията и обяснението на механизма на излъчване, а от друга страна, до изясняването на структурата на отделните атоми и установяването на връзка между тях. Въпреки това в тази област все още имаше много явления, които теорията на Бор не можеше да обясни. Движението на електроните в атомите е начертано от Бор до известна степен като просто механично движение, докато е много сложно и странно. Особеността на движението на електроните беше разкрита от нова теория - квантовата или вълновата механика. Тази теория изхожда от позицията, че законите на Нютоновата механика, които са валидни за тела с достатъчно голяма маса (т.е. за тези, с които обикновено се срещаме на практика), не са приложими за движението на електроните в атома и трябва да бъдат заменени с нови закони, съответстващи на характеристиките на това движение.

Квантовата механика показва, че законите за движение на електроните имат много общо със законите за разпространение на вълните, поради което иначе се нарича вълнова механика. По този начин, според принципите на квантовата механика, когато електроните се разпръскват от кристали, трябва да се наблюдават дифракционни явления, както при разсейването на рентгеновите лъчи. Наистина, електронната дифракция скоро беше открита и в момента се използва за изследване на структурата на материята толкова широко, колкото рентгеновата дифракция. По-специално устройството на електронния микроскоп се основава на електронна дифракция. Тъй като математическата страна на новата теория е много сложна, няма да се спираме на нея. Само отбелязваме, че основното уравнение ввълновата механика е уравнение, което свързва дължината на вълната λ за потока от електрони с тяхната скоростvи масаm:

където π е цяло число. Това е математическият израз на първия постулат на Бор, който той формулира през 1913 г. постави основата за изчисляване на движението на електрон във водороден атом. В горното уравнение факторът n, наречен главно квантово число, може да приеме стойността на всяко цяло число от 1 до безкрайност. Основното квантово число определя енергийното ниво, на което съответства дадена орбита и нейното разстояние от ядрото. Стойността n = 1 съответства на най-ниското енергийно ниво, обозначено с буквата K; стойността π = 2 към енергийното ниво L и т.н.

Трябва да се отбележи, че съвременната вълнова механика влага в думата "орбита" различно значение от това, което тя имаше в теорията на Бор. Факт е, че вълновата механика разглежда само по-голяма или по-малка вероятност за намиране на бързо движещ се електрон в определена точка в пространството. Следователно думата "орбита" във вълновата механика се разбира като тази област (сфера) около ядрото, в която средно най-често се намира електрон. Вероятността за намиране на електрон може също да бъде изразена с помощта на концепцията за електронен облак. Електронът се движи около ядрото толкова бързо, че човек може да си представи неговия електрически заряд „размазан“ в облак от отрицателно електричество. Плътността на облака е по-голяма там, където е по-вероятно да остане електрон.

Така концепцията за електронна орбита като определена линия се заменя във вълновата механика с концепцията за електронна сфера или електронен облак. Така, например, кръговата орбита на електрон във водороден атом с главно квантово числоn= 1 съответства на електронен облак, в който най-високата плътностсе намира близо до сферичния слой с радиусr =0,53 ангстрьома, равен на радиуса на първата орбита на Бор. Въпреки това, един електрон може да се намира както на по-голямо, така и на по-малко разстояние от ядрото, само вероятността да бъде тук ще бъде по-малка. Когатоn= 2, най-високата плътност на електронния облак е разположена по-далеч от ядрото и т.н.

Страничното квантово числоlс даденото главно квантово числоnможе да приема всички стойности на цели числа от 0 до n-1. Така, ако главното квантово числоnе равно на 1, тогава страничното числоlще бъде равно на нула. В този случай електронният облак има формата на топка (фиг. 28, а).

Магнитното квантово числоmопределя позицията на равнината на електронната орбита в пространството или, според концепциите на вълновата механика, посоката, в която се простира електронният облак. Това число може да има всички цели числа, както положителни, така и отрицателни. но само в рамките на стойносттаl. Например, акоlе равно на нула,mсъщо е равно на

Ориз. 28. Електронни облаци: а—водородни атоми; водородни молекули

нула; акоlе равно на три, тогава m може да бъде равно на: -3, -2, -1, 0, 1,2, 3.

Електронът в атома обаче се върти не само около ядрото, но и около собствената си ос, като е възможно въртенето му в две противоположни посоки. Това въртене на електрона (т.нар. "спин") се характеризира с четвърто, спиново квантово числоs.Последното може да има само две стойности - положителна и отрицателна - съответстващи на двете възможни посоки на въртене на електрона. Тези четири квантови числа могат да характеризират целия набор от сложни движения на електрон в атом. Те обаче все още не дават изчерпателна картина на разпространениетоелектрони в атома, тъй като броят на произволните им комбинации помежду си е неограничено голям. Въз основа на анализа на спектрите и отчитайки позицията на елементите в периодичната система, физикът Паули откри общ принцип, който позволява да се изберат онези комбинации от квантови числа, които отговарят на реалността. Според този принцип в нито един атом няма електрони, които да са подобни във всички отношения. С други думи, два електрона в един атом не могат да имат четири еднакви квантови числа.

Така, например, първото енергийно ниво (n=1;l= 0;m= 0) може да съдържа само два електрона, които се различават по своите спинове. На второто енергийно ниво, съответстващо на квантово число 2, в състояние 5,или в s-орбита (l= 0;m= 0), може да има два електрона с противоположни спинове и в състоянияp,или в p-орбити (l- 1, m = -1, 0, +1), по два електрона. Следователно общо осем електрона могат да бъдат във второто енергийно ниво (виж таблица 6). При основното квантово число n= 3, страничното квантово числоlможе да приеме стойностите 0, 1 и 2(s, pиd),които съответстват на следните стойностиm:заl = 0 m= 0 заl=1 m =— 1, 0, + 1 заl= 2 m \u003d - 2, - 1, 0, + 1, + 2 Тъй като може да има два електрона във всяко състояниеm, тогава само 18 електрона могат да бъдат поставени на третото енергийно ниво, съответстващо на n \u003d 3 (Таблица 8 на страници 162-164). По същия начин не е трудно да се изчисли, че четвъртото енергийно ниво(n= 4) може да има не повече от 32 електрона. Като цяло, максималният брой електрониN,, които могат да бъдат на дадено енергийно нивоn

n,се определя в съответствие с принципа на Паули по вече известната формулаN = 2n2. Подреждането на електроните в атомите е удобно написано под формата на кратки формули, които са съставени по следния начин. Първо се записва число, указващо основното квантово число, последвано от буква, обозначаваща странично квантово число, и като индекс към него, броят на разположените електрони

Разположение на електроните в атомите	елементи на малки	периоди
Обозначаване на слоя	K	L	M
Главно квантово числоn	1	2	3
Странично квантово числоl	0	0	л	0	л	2
Буквено означение на числотоl	s	s	P	s	p	d
1. Водород	н	1
2. Хелий	Не	2
3. Литий	Ли	2	1
4. Берилий	Бъда	2	2
5. Бор	V	2	2	1
6. Въглерод	с	2	2	2
7. Азот	н	2	2	3
8. Кислород	ОТНОСНО	2	2	4
9. Флуор	Е	2	2	5
10. Неон	не	2	2	6
11. Натрий	Na	2	2	6	1
12. Магнезий	мг	2	2	6	2
13. Алуминий	Ал	2	2	6	2	1
14. Силиций	Si	2	2	6	2	2
15. Фосфор	П	2	2	6	2	3
16. Сяра	С	2	2	6	2	4
17. Хлор	кл	2	2	6	2	5
18. Аргон	Ар	2	2	6	2	6

в съответните орбити. Така например "електронната формула" на водороден атом ще бъде: 1s 1, атом на хелий - 1s 2, атом на литий - 1s 2,2s 1, атом на кислород - 1s 2, 2s 2, 2p 4, атом на неон - 1s 2, 2s 2, 2p 6, атом на алуминий - 1s 2, 2s 2,2p 6,3s 2, 3p 1 и т.н.

---