Физика (стр. 38 )

Экспериментальные исследования спектра атома водорода при применении спектральных приборов с большой разрешающей способностью обнаружили, что спектральные линии атома водорода обнаруживают тонкую структуру, т. е. состоят из близко расположенных линий. Для объяснения этого американские физики Уленбек и Гаудсмит предположили, что электрон обладает собственным неуничтожимым механическим моментом импульса, не связанным с движением электрона в пространстве – спином . Спин – это квантовая величина, не имеющая аналога в классической механике; это внутреннее свойство электрона, подобное его заряду и массе. Если принять это предположение, то спин должен в соответствии с законами квантовой механики принимать только дискретные значения. Проекция спина на направление внешнего магнитного поля, являясь квантованной величиной, определяется выражением: где – магнитное спиновое квантовое число, принимающее только два значения

4.2.4. Принцип Паули

Опытные данные привели к необходимости характеризовать электроны (и микрочастицы вообще) добавочной внутренней степенью свободы, поэтому для полного описания состояния электрона в атоме необходимо наряду с главным, орбитальным и магнитным квантовыми числами задавать еще магнитное спиновое квантовое число, т. е. состояние электрона характеризуется четырьмя квантовыми числами.

Обобщая опытные данные, швейцарский физик Паули сформулировал принцип, согласно которому в одном и том же атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковой совокупностью (одинаковым набором) четырех квантовых чисел . Иными словами, в одном и том же состоянии не могут находиться одновременно два электрона. Поскольку может принимать только два значения, то максимальное число электронов, находящихся в состояниях, определяемых данным главным квантовым числом, равно .

Пример 4. Заполненной электронной оболочке соответствует главное квантовое число . Определить число электронов в этой оболочке, которые имеют одинаковые следующие квантовые числа:

Решение. Полное число электронов в оболочке равно . Половина из них имеет магнитное спиновое число , другая половина – . Если орбитальное квантовое число равно , то магнитное квантовое число может принимать значения т. е. всего пять значений. В силу принципа Паули в атоме не может быть электронов, обладающих одинаковым набором четырех квантовых чисел . Значит, в данной электронной оболочке будет пять электронов, имеющих значения квантовых чисел но различающихся значениями магнитных квантовых чисел .

4.2.5. Многоэлектронные атомы

Совокупность электронов в многоэлектронном атоме, имеющих одно и то же значение , называют электронной оболочкой. В каждой оболочке электроны распределяются по подоболочкам, соответствующим данному числу . Поскольку , то число подоболочек равно (в каждой оболочке) порядковому номеру оболочки . Количество электронов в подоболочке определяется квантовыми числами: магнитным и магнитным спиновым . Максимальное число электронов в подоболочке с данным равно .

В соответствии со значением оболочкам дают обозначения, заимствованные из спектроскопии рентгеновских лучей: оболочка с обозначается , n = 2 – L, n = 3 – M, n = 4 – N, n = 5 – O, n = 6 – Р, n = 7 – Q и т. д.

Грубо схематически оболочки можно представить в виде концентрических сфер, окружающих ядро (рис. 4.2.4).

 

Рис. 4.2.4

Каждая из оболочек содержит определенное число электронов, каждый из которых вращается вокруг ядра по собственной орбите. При переходе электрона с орбиты большего радиуса на орбиту меньшего радиуса (т. е. из одной оболочки в другую, с меньшей энергией) выделяется энергия.

Электрон, находящийся на внешней оболочке, обязательно перескочит на внутреннюю, если только на ней имеется свободная орбита. Поэтому в многоэлектронных атомах нормально все электроны сосредоточены на внутренних оболочках. Например, у атома натрия одиннадцать электронов, причем оболочки и заполнены (2 и 8 электронов), а одиннадцатый электрон находится в оболочке M. Внешние электроны слабее связаны с ядром. Они определяют оптические и химические свойства атома и называются валентными.

Чтобы перевести валентные электроны на более высокие незанятые орбиты, требуется небольшая энергия: 5¸20 эВ. При возвращении такого электрона будет испущен квант света с той же самой энергией. Таким образом, испускание света в оптических областях спектра связано с поведением внешних, валентных электронов атома.

4.2.6. Периодическая система элементов

Принцип Паули, объясняющий электронные состояния в атомах, позволяет объяснить и Периодическую систему элементов Менделеева (см. приложение 2).

ввел понятие порядкового номера элемента, равного числу протонов в ядре и, соответственно, общему числу электронов в атоме. Расположив химические элементы по мере возрастания порядковых номеров, он обнаружил периодичность в изменении химических свойств элементов. Поскольку химические свойства определяются валентными электронами, периодичность свойств должна быть связана с определенной периодичностью в расположении электронов в атомах. Каждый последующий элемент таблицы образуется из предыдущего прибавлением к ядру одного протона и, соответственно, прибавлением одного электрона.

Единственный электрон атома водорода находится в К-оболочке. Оба электрона гелия также размещаются в К-оболочке, но у них квантовые магнитные спиновые числа различны (). Оболочка заполнена, и завершен I период таблицы.

Следующий элемент литий – , у которого три электрона. В соответствии с принципом Паули они не могут разместиться в – оболочке (где могут поместиться только два электрона). Третий электрон попадает в L-оболочку. Этим элементом начинается II период. Четвертый элемент бериллий имеет четыре электрона, которые располагаются так: 2 – в – оболочке (заполнена); 2 – в L-оболочке (заполнена первая подоболочка). Следующие шесть элементов: бор , углерод , азот , кислород , фтор , неон заполняют вторую подоболочку L-оболочки. II период заканчивается неоном.

Одиннадцатый элемент натрий , имеющий 11 электронов, начинает III период. Заполненные К-оболочка и L-оболочка не принимают одиннадцатый электрон, который размещается в M-оболочке. Этот электрон является валентным, поэтому свойства натрия подобны свойствам лития . В III периоде таблицы находятся элементы, у которых валентные электроны размещаются в M-оболочке. Последний элемент аргон имеет заполненные две первые подоболочки M-оболочки. Если две первые подоболочки электронной оболочки заполнены полностью, то это означает, что элемент инертен в химическом отношении и его валентность равна нулю.