Спектры атомов второй группы

При пренебрежении спин–орбитальным взаимодействием состояния электрона в атоме описываются четверкой квантовых чисел: . По принципу Паули, в состояниях с этой четверкой чисел может находиться только один электрон. В состояниях с фиксированной тройкой чисел может находиться дваэлектрона. Состояниям с фиксированными числами отвечают электронов. Совокупность одноэлектронных состояний с фиксированными значениями чисел - электронная оболочка атома. Электроны с одинаковыми значениями квантовых чисел эквивалентные. означает, что пять электронов находятся в состоянии 2 р. Распределение электронов по оболочкам определяет электронную конфигурацию атома. Совокупность оболочек с фиксированным значением главного квантового числа n образуют электронный слой атома. Для электронных слоев приняты обозначения:

Максимально количество электронов в слое .

Электронная конфигурация характеризует распределение электронов по оболочкам атомов. для полного описания состояния атома необходимо знать состояния отдельных электронов, а также (при L – S –связи) числа L, S и J. В случае неэквивалентных электронов подсчет возможных термов прост. Например, в конфигурации 2 p 3 d числа L = 1, 2, 3; S = = 0, 1. Возможны синглетные и триплетные термы: . Если электроны эквивалентны, то необходимо учитывать принцип Паули. В конфигурации числа ; 1/2; 1/2. Отсюда L = 0, S = 0, 1. По принципу Паули числа должны иметь разные знаки, при этом по принципу тождественности электронов числа 1/2, 1/2 и 1/2, 1/2 представляют то же самое состояние. Таким образом, возможен лишь синглетный терм . Триплетный терм запрещен. Целиком заполненной (замкнутой) оболочке ( …) отвечает единственный терм .

Заполнение электронных оболочек начинается с наименьших значений квантовых чисел, которые определяют наименьшее значение энергии электрона в атоме. Как только достигается максимально возможное число электронов в данной оболочке, начинается заполнение следующей оболочки и т.д. Указанный порядок заполнения электронных оболочек составляет оболочечную модель атома. число атомов в периодах системы элементов должно быть равно 2, 8, 18, 32. Это не соответствует реальному числу элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32.

При небольших значениях главного квантового числа состояния с фиксированным числом n при всех значениях числа лежат ниже, чем состояния с числом n + 1. Этим определяется последовательность заполнения электронных состояний с возрастающей энергией: 1 s, 2 s, 2 p, 3 s, 3 p, …Однако такая последовательность нарушается при переходе к d- и f- состояниям. В результате заполнение электронных состояний происходит в следующей последовательности:

1 s 2 электрона

2 s, 2 p 8 электронов

3 s, 3 p 8 электронов

4 s, 4 p, 3 d 18 электронов

5 s, 5 p, 4 d, 18 электронов

6 s, 6 p, 5 d, 4 f 32 электрона

Первый, короткий период содержит два элемента - водород с электронной конфигурацией и гелий с завершенной электронной конфигурацией . Последующие периоды начинаются со щелочных металлов и заканчиваются благородными (инертными) газами

Заполнение электронных оболочек первых восемнадцати элементов происходит в соответствии с «идеальным» порядком. 19-й электрон следующего элемента – калия должен бы находиться в состоянии 3 d. Однако по своим свойствам калий – щелочной металл, как Li и Na. Эти атомы имеют валентный электрон в s –оболочке. Аналогично, 19-й электрон калия оказывается в состоянии 4 . Это подтверждается непосредственно измерениями ирасчетами, которые показывают, что энергия 19-го электрона в состоянии 4 s меньше, чем в состоянии 3 d. У кальция 20-й электрон также находится в состоянии . С 21-го элемента по 30-й заполняется оболочка 3 d.

Особую группу составляют редкоземельные элементы, или лантаниды (Z = 58–71). В них с некоторыми отклонениями происходит заполнение внутренней 4 f –оболочки. Внешние их оболочки одинаковы.

Вторая группа редкоземельных элементов начинается с 90-го элемента по 103-й - актиниды. В них с некоторыми нерегулярностями происходит заполнение глубокой внутренней оболочки 5 f.

Начиная с Менделевия (элемент № 101) новые элементы синтезируются буквально в количестве нескольких атомов. новые элементы являются, как правило, короткоживущими с очень малым периодом полураспада.