Модель состояния электрона в атоме

В соответствии с квантово – механическими представлениями, электрон – это такое образование, которое ведёт себя и как частица, и как волна. Как и другие микрочастицы, он обладает корпускулярно – волновым дуализмом (двойственностью). С одной стороны, электроны, как частицы, имеют массу покоя и заряд, производят давление, с другой стороны, это волны, характеризующиеся длиной волны λ и частотой излучения ν, обладающие такими свойствами, как интерференция и дифракция.

Согласно квантовой механике, невозможно точно определить энергию и положение электрона, поэтому используют вероятностный подход для характеристики положения электрона. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра.

Быстро движущийся электрон, обладающий свойствами волны, может находиться в любой части пространства, окружающего ядро, и совокупность различных его положений рассматривается как электронное облако с определённой плотностью отрицательного заряда. Более наглядно это можно представить так. Если бы удалось через ничтожно малые промежутки времени сфотографировать положение электрона в атоме водорода (оно отразится на фотографии в виде точки), то при наложении множества таких фотографий получилась бы картина электронного облака (рис. 2.1). Плотность электронного облака неравномерна. Там, где точек наибольшее число, облако будет наиболее плотным, что будет отвечать наибольшей вероятности пребывания электрона в данной части атомного пространства.

Электронное облако – это квантово – механическая модель движения электрона в атоме. Если в планетарной модели строение простейшего атома водорода представлялось так: вокруг ядра по орбите вращается электрон, то с точки зрения квантовой механики, ядро атома водорода окружено пульсирующим электронным облаком с неравномерной плотностью. Форма облака – сферическая. Как видим, орбита заменена представлением об электронном (зарядовом) облаке, однако термин “атомная орбита” или “атомная орбиталь” применяется и поныне.

Атомная орбиталь (АО) или электронное облако – это пространство вокруг ядра, в котором вероятность пребывания электрона составляет не менее 90%. АО могут различаться размерами, формой, ориентацией в пространстве.

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:

Уровень	n	l	Число подуровней	Обозначение подуровней в уровне
				1s
		0; 1		2s, 2p
		0; 1; 2		3s, 3p, 3d
		0; 1; 2; 3		4s, 4p, 4d, 4f

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:

Подуровень	Орбитальное квантовое число l	Магнитное число m l	Число орбиталей с данным l
s p d f		-1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0,+1, +2,+3	2 l +1

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.