Квантовые числа

Для характеристики поведения электрона в атоме введены квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное и спиновое.

Главное квантовое число n определяет энергию электрона на энергетическом уровне и размер атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 1 до (практически от 1 до 7 соответственно номеру периода, в котором находится элемент). Чем больше n, тем больше энергия электрона и размер атомной орбитали (электронного облака).

Энергия электрона, главным образом, зависит от расстояния электрона от ядра: чем ближе к ядру находится электрон, тем меньше его энергия и размер электронного облака.

Энергетическое состояние электрона, характеризующееся определённым значением главного квантового числа, принято называть энергетическим уровнем (оболочкой) электрона в атоме. Энергетические уровни обозначают прописными буквами согласно схеме:

Значение n: 1 2 3 4 5 6 7.

Обозначение: K, L, M, N, O, P, Q.

Так, если n=3, то электрон находится на третьем уровне от ядра или на М уровне и, наоборот, для пятого уровня (О – уровня) n=5.

Конечно, никаких уровней в атоме нет; говоря так, понимают лишь энергетическое состояние электрона, что и определяет его положение в атоме. Электроны, характеризующиеся одним и тем же значением главного квантового числа, образуют в атоме электронные облака приблизительно одинаковых размеров, поэтому можно говорить о существовании в атоме электронных слоев, или электронных оболочек, отвечающих определенным значениям главного квантового числа. При переходе электрона с уровня на уровень выделяются или поглощаются кванты энергии, которые могут проявиться в виде линий спектров (рис. 2.2).

Было установлено, что энергетические уровни расщепляются на энергетические подуровни.

Согласно квантово – механическим расчётам, электронные облака отличаются не только размерами, но и формой.

Орбитальное квантовое число l характеризует форму атомной орбитали (электронного облака) и энергию электрона на энергетическом подуровне.

Состояния электрона, характеризующиеся различными значениями орбитального квантового числа l, принято называть энергетическими подуровнями электрона в атоме (подоболочками). Как и n, l квантуется, т.е изменяется только целочисленно, принимая значения от 0 до (n-1), где n – главное квантовое число, всего n значений.

Энергетические подуровни обозначают буквами:

значение l: 0 1 2 3 4 5;

обозначение подуровня: s p d f g h.

В соответствии с этими обозначениями говорят об s - подуровне, p – подуровне и т.д. Число подуровней равно номеру уровня. Например:

То есть орбитальное квантовое число l описывает структуру энергетического уровня.

Электроны с орбитальным квантовым числом 0 называются s – электронами. Орбитали (электронные облака) имеют сферическую форму (рис. 2.3, а).

Электроны с орбитальным квантовым числом l= 1 называются p – электронами. Орбитали имеют «гантелевидную» форму (рис. 2.3, б).

Электроны с l =2 называют d – электронами. Орбитали имеют форму сложной «четырехлепестковой» фигуры (рис. 2.4, в).

Электроны с l =3 получили название f – электронов. Форма их орбиталей ещё сложнее, чем форма d – орбиталей.

В одном и том же энергетическом уровне энергия подуровней возрастает в ряду E_S< E_P< E_d< E_f.

Магнитное квантовое число m_l характеризует пространственную ориентацию атомной орбитали и связано с числом l, квантуется и принимает целочисленные значения, от -l до +l, включая ноль. Число значений m _l равно 2 l +1. Это число орбиталей с данным значением l, т.е. число энергетических состояний, в которых могут находиться электроны данного подуровня за счет различных пространственных ориентаций АО.

Внешнее магнитное поле изменяет пространственную ориентацию электронных облаков, поэтому при воздействии магнитного поля происходит расщепление энергетических подуровней электронов. В магнитном поле наблюдается расщепление атомных спектральных линий.

Определим число состояний (орбиталей) электронов в соответствующем подуровне:

Общее число состояний (орбиталей) на уровне равно n². На рис. 2.3 показаны формы и ориентация в пространстве 1s –, 2p –, 3d – орбиталей.

На основе представлений о квантовых числах можно уточнить определение атомной орбитали (АО): совокупность положений электрона в атоме, характеризуемых определёнными значениями квантовых чисел n, l и m_l: называют атомной орбиталью (АО). Условно АО обозначают в виде клеточки (энергетической или квантовой ячейки) – □. Соответственно, для s – подуровня одна АО – □, для p – подуровня три АО – □ □ □, для d – подуровня пять АО – □ □ □ □ □, для f – подуровня семь АО – □ □ □ □ □ □ □.

Изучение тонкой структуры атомных спектров показало, что, кроме различия размеров облаков, их формы и характера расположения в пространстве относительно друг друга, электроны различаются спином. Упрощенно спин можно представить как собственное вращение электрона вокруг своей оси (от англ. spin – веретено).

Спиновое квантовое число m_s характеризует собственный момент количества движения электрона, обусловленный его движением вокруг своей оси; m_s =± .

Знаки “+” и “–“ соответствуют различным направлениям вращения электрона – по или против часовой стрелки. Электроны с разными спинами называются антипараллельными или спаренными и обозначаются противоположно направленными стрелками ↑ ↓. Неспаренный электрон изображается одной стрелкой.

Итак, состояние электрона в атоме полностью характеризуется четырьмя квантовыми числами: n, l, m_l и m_s.