«Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, история её открытия и экспериментальное подтверждение» (стр. 8 из 12)
Рис. 12. Электрон в атоме Бора описывает не только круговые, но и эллиптические орбиты. Вот как они выглядят для различных значений l при п=2, 3, 4.
Однако теория строения атома Бора – Зоммерфельда соединяло в себе классические и квантомеханические представления и, таким образом, была построена на противоречиях. Основные недостатки теории Бора – Зоммерфельда заключаются в следующем:
1. Теория не способна объяснить все детали спектральных характеристик атомов.
2. Она не даёт возможности количественно рассчитать химическую связь даже в такой простой молекуле, как молекула водорода.
Зато было твёрдо установлено фундаментальное положение: заполнение электронных оболочек в атомах химических элементов происходит начиная с третьей, М-оболочки не последовательно, постепенно до полной ёмкости (т. е. так, как это было у К- и L-оболочек), а ступенчато. Иначе говоря, построение электронных оболочек на время прерывается из-за того, что в атомах появляются электроны, принадлежащие другим оболочкам.
4. Четыре буквы атомного алфавита.
Эти буквы обозначаются так: n, l, ml , ms – и на языке атомной физики называются квантовыми числами. Исторически они вводились постепенно, и их возникновение в значительной степени связано с изучением атомных спектров.
Так вот оказывается, что состояние любого электрона в атоме можно записать особым шифром, представляющим собой комбинацию четырёх квантовых чисел. Это не просто какие-то отвлечённые величины, используемые для записи электронных состояний. Напротив, все они имеют реальное физическое содержание.
Число п входит в формулу для ёмкости электронной оболочки (2п2), т. е. данное квантовое число п соответствует номеру электронной оболочки; иными словами, это число определяет принадлежность электрона к данной электронной оболочке.
Число п принимает только целочисленные значения: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,…, отвечающие соответственно оболочкам: K, L, M, N, O, P, Q.
Поскольку п входит в формулу для энергии электрона, то говорят, что главное квантовое число определяет общий запас энергии электрона в атоме.
Другая буква нашего алфавита – орбитальное (побочное) квантовое число – обозначается как l. Оно было введено, чтобы подчеркнуть неравноценность всех электронов, принадлежащих данной оболочке.
Каждая оболочка подразделяется на определённые подоболочки, причём их число равно номеру оболочки. Т. е. К-оболочка (п=1) состоит из одной подоболочки; L-оболочка (п=2) – из двух; М-оболочка (п=3) – из трёх подоболочек…
И каждая подоболочка данной оболочки характеризуется определённой величиной l. Орбитальное квантовое число принимает также целочисленные значения, но начиная с нуля, т. е. 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6… Таким образом, l всегда меньше п. Легко понять, что при п=1 l=0; при n=2 l=0 и 1; при n=3 l=0, 1 и 2 и т. д. Число l, если можно так выразиться, имеет геометрический образ. Ведь орбиты электронов, принадлежащих к той или иной оболочке, могут быть не только круговые, но и эллиптические.
Разные значения l и характеризуют различные типы орбит.
Физики любят традиции и предпочитают для обозначения электронных подоболочек старые буквенные обозначения s(l=0), p(l=1), d(l=2), f(l=3). Это первые буквы немецких слов, характеризующих особенности серий спектральных линий, обусловленных переходами электронов: резкая, главная, размытая, фундаментальная.
Теперь можно кратко записать, какие электронные подоболочки содержатся в электронных оболочках (таблица 2).
Оболочки | Подоболочки |
| K (n=1) | 1s(l=0) |
| L (n=2) | 2s(l=0) 2p(l=1) |
| M (n=3) | 3s(l=0) 3p(l=1) 3d(l=2) |
| N (n=4) | 4s(l=0) 4p(l=1) 4d(l=2) 4f(l=3) |
Табл. 2.
Знать сколько электронов вмещают различные электронные подоболочки помогают определить третье и четвёртое квантовые числа – ml и ms, которые носят названия магнитного и спинового.
Магнитное квантовое число ml тесно связано с l и определяет, с одной стороны, направление расположения этих орбит в пространстве, а с другой – их число, возможное для данного l. Из некоторых закономерностей атомной теории следует, что при данном l квантовое число ml, принимает 2l+1 целочисленных значений: от – l до +l, включая нулевое. Например, для l=3 вот какую последовательность ml мы имеем: - 3, - 2, - 1, 0, +1, +2, +3, т. е. всего семь значений.
Почему ml называется магнитным? Каждый электрон, вращаясь на орбите вокруг ядра, по существу, представляет собой один виток обмотки, по которому идёт электрический ток. Возникает магнитное поле, поэтому каждую орбиту в атоме можно рассматривать как плоский магнитный листок. При нахождении внешнего магнитного поля каждая электронная орбита будет с этим полем взаимодействовать и стремиться занять в атоме определённое положение.
Число электронов на каждой орбите определяется значением спинового квантового числа ms.
Поведение атомов в сильных неоднородных магнитных полях показало, что каждый электрон в атоме ведёт себя как магнитик. А это свидетельствует, что электрон вращается вокруг своей собственной оси, словно планета на орбите. Это свойство электрона получило название «спин» (в переводе с английского – вращать). Вращательное движение электрона постоянно и неизменно. Вращение электрона совершенно необычно: ни замедлить, ни ускорить, ни остановить его нельзя. Оно одинаково для всех электронов в мире.
Но хотя спин – общее свойство всех электронов, в нём также заключена причина различия между электронами в атоме.
Два электрона, вращаясь на одной и той же орбите вокруг ядра, обладают одним и тем же спином по величине, и всё же они могут различаться направлением собственного вращения. При этом изменяется знак момента количества движения и знак спина.
Квантовый расчёт приводит к двум возможным значениям спиновых квантовых чисел, присущих электрону на орбите: s=+
и s= - . Других значений быть не может. Поэтому в атоме на каждой орбите могут вращаться либо только один, либо два электрона. Больше быть не может.Каждая электронная подоболочка максимально вмещает 2(2l+1)- электронов, а именно (таблица 3):
| s-подоболочка | 2(2´0+1)=2 электрона |
| p-подоболочка | 2(2´1+1)=6 электронов |
| d-подоболочка | 2(2´2+1)=10 электронов |
| f-подоболочка | 2(2´3+1)=14 электронов |
Табл. 3.
Отсюда простым сложением получаются ёмкости последовательных оболочек.
Удивительна простота основного закона, к которому свелась первоначальная бесконечная сложность строения атома. Вся прихотливость поведения электронов в его внешней оболочке, управляющая всеми его свойствами, может быть выражена необычайно просто: в атоме нет и не может быть двух одинаковых электронов. Этот закон известен в науке как принцип Паули (по имени швейцарского физика-теоретика).
Зная же общее число электронов в атоме, которое равно его порядковому номеру в менделеевской системе, можно «строить» атом: можно рассчитать структуру его внешней электронной оболочки – определять, сколько в ней электронов и какие они в ней.
5. Архитектура периодической системы.
По мере роста Z периодически повторяются сходные типы электронных конфигураций атомов. По сути, это тоже формулировка периодического закона, но применительно к процессу распределения электронов по оболочкам и подоболочкам.
Зная закон строения атома, можно теперь построить периодическую систему и объяснить, почему она построена именно так. Нужно лишь одно маленькое терминологическое разъяснение: те элементы, в атомах которых происходит построение s-, p-, d-, f-подоболочек, принято называть соответственно s-, p-, d-, f-элементами.
Формулу атома принято записывать в такой форме: главное квантовое число – соответствующей цифрой, побочное – буквой, число электронов помечают справа сверху.
Первый период содержит 1 s-элементы – водород и гелий. Схематическая запись первого периода следующая: 1 s2. Второй период может быть изображён следующим образом: 2 s2 2 p6, т. е. в него входят элементы, в которых заполняются 2 s-, 2 p-подоболочки. А третий (в нём строятся 3 s-, 3p-подоболочки): 3 s2 3p6. Очевидно, сходные типы электронных конфигураций повторяются.
В начале 4-го периода два 4 s-элемента, т. е. начинается заполнение N-оболочки ранее, чем завершилось построение М-оболочки. Она содержит ещё 10 вакантных мест, которые и заполняются у десяти последующих элементов (3 d-элементов). Кончилось заполнение М-оболочки, продолжается заполнение N-оболочки (шестью 4 p-электронами). Следовательно, строение 4-го периода таково: 4 s2 3 d10 4 p6. Пятый период заполняется аналогично: