Правила, объясняющие распределение электронов в атоме

Закономерности квантовой механики позволяют объяснить причины распределения электронов в электронных оболочках атомов. Рассмотрим наиболее важные из них.

1. Принцип (запрет) Паули: в атоме нет даже двух электронов, имеющих одинаковое значение всех квантовых чисел.

Из этого правила следует, что максимальное число электронов, содержащихся в орбитали, — два.

• 2. Правило Гунда. электроны заполняют орбитали подуровня так, чтобы сумма спинового квантового числа была максимальной. (Сравните с формулировкой, приведенной в 4.4.)
• 3. Понятие «орбиталь» базируется на открытии де Бройлем волновых свойств электрона. Он предложил уравнение, известное под названием уравнение де Бройля:

где X — длина волны; h — постоянная Планка; т — масса частицы; v — скорость движения частицы.

• 4. Энергия электрона в атоме, а также порядок заполнения орбиталей определяется на основе правил Клечковского.
• 4.1. Первое правило Клечковского: из двух вакантных орбиталей электрон заполняет ту, которая имеет меньшую сумму главного и побочного квантового числа.
• 4.2. Второе правило Клечковского: если у вакантных орбиталей атома сумма главного и побочного квантовых чисел (п + /) одинакова, то электрон заполнит орбиталь с меньшим значением п.

Так, для орбиталей 4р и 55 энергия соответственно равна 5 (4 +1) или (5 + 0); для 5р и 65 — 6 (5 + 1) и (6 + 0). Так как s = 0 и р = 1, то по правилам Клечковского электроны заполняют орбитали в последовательности: Ар. .55. .5р. .65…->.

5. Устойчив^ть атома как системы была обоснована Н. Бором его постулатами. В настоящее время постулаты Бора формулируются так.

Первый постулат Бора: электроны в атоме находятся на определенном расстоянии от ядра, вытекающем из положений квантовой механики. Эти состояния электронов называют стационарными. Электроны, находясь в стационарных состояниях при движении вокруг ядра, не излучают энергию.

Второй постулат Бора: если электроны переходят с более близких орбиталей на более далекие, то они поглощают кванты энергии (возникает спектр поглощения). Такие состояния электронов называются «возбужденными», и из этих состояний электроны самопроизвольно переходят в стационарные, т. е. переходят с более удаленных орбиталей на более близкие к ядру, излучая при этом кванты энергии (возникает спектр излучения).

Экспериментальное определение радиуса атома водорода и изучение спектров его поглощения и излучения подтвердило правильность расчетов Бора, т. е. правильность предложенных им постулатов.

• ? Задания для самостоятельной работы
• 1. Назовите характеристики энергетического состояния электронов в атоме.
• 2. Назовите максимальное значение главного квантового числа для электронов атомов железа в стационарном состоянии, числа энергетических уровней, обосновав последнее на основе учения о квантовых числах.
• 3. Рассчитайте значения побочных квантовых чисел для п = 2, 4, 6.
• 4. На основе правил Клечковского рассчитайте энергии 3/?-, 45-, 5/-, 75-орбиталей и расположите их в порядке заполнения электронами.
• 5. Известно, что при движении электрона вокруг ядра его энергия должна уменьшаться и атом с этой точки зрения неустойчив, но опыт показывает, что атомы устойчивы. Объясните это противоречие на основе постулатов Бора.