4. БУДОВА АТОМА

4. БУДОВА АТОМА

4.5. Квантові числа

Стан будь-якого електрона в атомі можна описати за допомогою квантових чисел. Для цього використовують головне, побічне (орбітальне), магнітне (азимутальне) та спінове квантові числа.

Головне квантове число (позначається лат. літерою n) характеризує енергію і розміри електронної орбіталі і може набувати значень від 1 до ∞.

У багатоелектронних атомах електрони з однаковими значеннями n рухаються по орбіталях з близькими розмірами та енергіями і утворюють енергетичні рівні (електронні шари, електронні рівні). Ці рівні нумерують починаючи від ядра арабськими цифрами від 1 до 7, або позначають лат. літерами від K до Q відповідно.

Кількість електронних рівнів у атома, який перебуває в основному (незбудженому) стані дорівнює номеру періоду, в якому розміщений даний елемент у Періодичній системі.

Чим менше значення n, тим менша енергія даного рівня і менший розмір орбіталі.

У межах одного рівня електрони можуть відрізнятись енергетичним підрівнями. Цю різницю відображає побічне (орбітальне) квантове число, яке визначає форму атомної орбіталі і позначається лат. літерою l.

Побічне квантове число залежить від головного і може набувати цілочисельних значень від 0 до n – 1. Так, при n = 1, l = 0, при n = 2, l = 0 і l = 1 і т.д.

Зазвичай, числові значення l (0, 1, 2, 3, 4, 5) позначають англ. літерами s, p, d, f, g відповідно, а орбіталі називають s-, p-, d-, f- або g-орбіталями.

Кількість підрівнів в межах одного рівня дорівнює n, тому на першому електронному рівні (n = 1) може бути лише одна (n2) s-орбіталь. На другому (n = 2) рівні розміщені чотири орбіталі – одна s- і три р-орбіталі. d-Орбіталі з’являються на третьому (n = 3), а f-орбіталі на четвертому (n = 4) електронному рівнях і містять відповідно по 5 та 7 орбіталей.

При l = 0, s-орбіталь має сферичну форму (рис. 3, а). При l = 1, p‑орбіталь має форму гантелі (рис. 3. б). d-, f- i g-орбіталі відповідають значенням l = 2, l = 3 і l = 4.

Просторове розміщення орбіталі визначає магнітне (азимутальне) квантове число (позначається m або ml). Його значення залежить від l і змінюється від –l до + l, включаючи 0, тобто кожному значенню l відповідає (2l+1) значень m.

Так, якщо l = 0, то m = 0 і s-орбіталь може мати лише одне просторове розміщення (рис. 4.4, а).

Для l = 1, m = –1, 0, +1 і р-орбіталь має три можливі варіанти просторової орієнтації (рx- рy- рz-орбіталі). Осі симетрії р-орбіталей розміщені під кутом 90 0 одна відносно одної, що досягається взаємним відштовхуванням р‑електронів і забезпечує максимальну однакову відстань між усіма р‑орбіталями одного електронного рівня (рис. 4.4, б).

Рис. 4.4. Форми s-, p- і d-орбіталей.

При l = 2, m = –2, –1, 0, +1, +2, тобто d-орбіталей є п’ять (рис. 4.4, в), а f‑орбіталей (l = 3, m = –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3) – сім.

Таким чином, в межах одного енергетичного рівня максимально можуть бути одна s-, три p-, п’ять d- і сім f-орбіталей. Загальна кількість орбіталей (N) на енергетичному рівні визначається формулою: N = n2­­, де n – головне квантове число.

Графічно s-, p-, d- і f-орбіталі зображають:

Для повної характеристики електрона в атомі у 1925 р. ввели спінове квантове число (позначається s або ms), яке характеризує можливість обертання електрона навколо своєї осі (аналогічно з добовим обертанням Землі). Якщо електрон обертається за годинниковою стрілкою (вправо), то s = +½, якщо проти (вліво) – то s = –½ (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схема визначення спінового квантового числа.

На одній орбіталі може бути лише 2 електрони зі значеннями s = +½ та s = –½. Якщо s = +½, то графічно електрон зображають , а якщо s = –½, то . Коли на орбіталі розміщені два електрони, то їх зображають з антипаралельними (протилежно спрямованими) спінами: .