Квантовая физика (стр. 6 )

Для электронов в атоме принцип Паули записывается таким образом: или 1,

где –число электронов в состоянии, характеризуемом данным набором квантовых чисел.

Максимальное число электронов, находящихся в состояниях, описываемых набором трех квантовых чисел n; и m и отличающихся только ориентацией спинов электронов, равно

=2,

т. к. ms принимает два значения, т. е. ±1/2. Можно сказать: не может быть больше двух электронов, движение которых характеризуется одинаковыми значениями трех квантовых чисел n; и m.

Максимальное число электронов, находящихся в состояниях, описываемых двумя квантовыми числами n и :

=2(2+1)

т. к. m принимает 2 + 1 значений,

Определим число электронов с определенным .

Электроны с =0 называются s-электронами, их максимальное количество равно = 2(2×0+1)=2.

Электроны с =1 называются р-электронами, их максимальное количество равно =2(2×1+1)=6.

Электроны с =2 называются d-электронами, их максимальное количество равно =2(2 2+1)=10.

Электроны с =3 называются f-электронами, их максимальное количество равно 2(2×3+1)=14 и т. д.

Максимальное число электронов, находящихся в состояниях, определяемых значением n главного квантового числа

=

Электроны, занимающие совокупность состояний с одинаковым значением главного квантового числа n, образуют электронную оболочку. Различают следующие электронные оболочки (или слои): К-слой при n = 1; L-слой при n = 2; M-слой при n = 3; N-слой при n =4 и т. д. В каждой квантовой оболочке атома электроны распределяются по подоболочкам, соответствующим определенному значению орбитального квантового числа ; в зависимости от электрон находится в подгруппе с символами s, p, d, f и т. д.

Главное квантовое число	Электронная оболочка (слой)	Число электронов в состояниях	Максимальное число электронов
s (=0)	p (=1)	d (=2)	f (=3)
1	K	2	–	–	–	2
2	L	2	6	–	–	8
3	M	2	6	10	–	18
4	N	2	6	10	14	32

В состоянии, определяемом главным квантовым числом n = 1, могут находиться лишь два s-электрона с двумя различными ориентациями спинов (см. рис.10.1).

Если n = 2, то схема имеет вид, показанный на рис. 10.2.

Последовательность заполнения электронных состояний в атомах химических элементов объясняется принципом Паули.

Этот принцип дает объяснение периодичности свойств химических элементов в периодической системе, созданной .

§ 11. Периодическая система элементов Менделеева.

Принцип Паули позволяет объяснить периодическую повторяемость свойств атомов. В 1869 г. создал периодическую систему элементов. Он показал, что если элементы расположены по порядку возрастных атомных весов за некоторым исключением, то их физические и химические свойства периодически повторяются. Это сходство распространяется и на их атомные спектры.

По теории Бора такая периодичность в свойствах элементов объясняется тем, что электроны в атомах располагаются по определенным слоям и оболочкам. Электроны, входящие в состав одного слоя, имеют одно и то же главное квантовое число. Оказалось, что каждый период таблицы Менделеева начинается с заполнения электронами нового слоя. Физико-химические свойства элементов (валентность) и оптические свойства определяются числом и расположением самых внешних валентных электронов.

Проследим построение периодической системы (или заполнение электронами слоев атома), которые подчиняются двум принципам: а) заполнение начинается с наименьшей энергии (наиболее устойчивое состояние); б) принцип запрета Паули.

Первый элемент в таблице Менделеева – атом водорода Н, для него Z = 1. Он имеет один электрон, квантовые числа для которого: n =1, = 0, mе = 0, ms = +1/2 или –1/2, т. е. электронная конфигурация атома водорода: 1S1.

У следующего элемента гелия Не имеются два электрона, квантовые числа: n =1, = 0, mе = 0, ms = ±1/2, т. е. электронная конфигурация атома гелия: 1S2. Слой К с числом электронов N = 2 заполнен полностью.

Третий элемент литий Li. Его третий электрон имеет квантовые числа: n = 2, = 0, mе = 0, ms = +1/2 или – 1/2, т. е. электронная конфигурация атома 1S2 2S1.

У берилия Ве: Z = 4 электронная конфигурация атома 1S2 2S2.

У последующих шести элементов происходит заполнение оболочек 2р. В результате у неона Nе с Z = 10 электронная конфигурация атома 1S2 2S2 2Р6, т. е. L – слой полностью заполнен и на этом заканчивается второй слой периодической таблицы. Не, Nе, а также другие атомы, в которых s - или s - и p-подгруппы полностью заняты электронами, по свойствам аналогичны и химически инертны.

Z	символ элемента	Название элемента	Электронная конфигурация
1	Н	водород	1s1
2	Не	гелий	1s2
3	Li	литий	1s1 2s1
4	Be	бериллий	1s22s2
5	B	бор	1s22s22p1
6	C	углерод	1s22s22p2
7	N	азот	1s22s22p3
8	O	кислород	1s22s22p4
9	F	фтор	1s22s22p5
10	Ne	неон	1s22s22p6
11	Na	натрий	1s22s22p63s1
12	Mg	магний	1s22s22p63s2
13	Al	алюминий	1s22s22p63s23р1
14	Si	кремний	1s22s22p63s23р2
15	Р	фосфор	1s22s22p63s23р3
16	S	сера	1s22s22p63s23р4
17	Cl	хлор	1s22s22p63s23р5
18	Ar	аргон	1s22s22p63s23р6

Нарушения при заполнении слоев наблюдаются у элемента с Z=19 (калий К), где начинается заполнение оболочки 4s при незаполненной 3d: