В соответствии с квантово-механическими представлениями, электрон – это такое образование, которое ведёт себя и как частица, и как волна, т.е. как и другие микрочастицы, он обладаеткорпускулярно- 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.
| Рис. 2.1. Электронное облако водорода с неравномерной плотностью |
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. Таким образом, 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 
| Рис. 2.2Схемы энергетических уровней и квантовые переходы атомаводорода. |
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) .
Позже 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 lхарактеризует 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:
| Уровень | n | l | Число подуровней | Обозначение подуровней в уровне |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1s |
| 2 | 2 | 0; 1 | 2 | 2s, 2p |
| 3 | 3 | 0; 1; 2 | 3 | 3s, 3p, 3d |
| 4 | 4 | 0; 1; 2; 3 | 4 | 4s, 4p, 4d, 4f |
Таким образом, орбитальное квантовое число l описывает структуру энергетического уровня.
Электроны с орбитальным квантовым числом l = 0 называются s-электронами; орбитали (электронные облака) имеют сферическую форму. Электроны с орбитальным квантовым числом l =1 называются p- электронами; орбитали имеют «гантелевидную» форму. Электроны с l=2 называют d-электронами. Орбитали имеют форму сложной «четырехлепестковой» фигуры.
На рис. 2.3 представлены формы электронных облаков перечисленных атомных орбиталей.
Электроны с l=3 получили название f-электронов. Форма их орбиталей ещё сложнее, чем форма d-орбиталей.
Рис. 2.3. Формы электронных облаков различных атомных орбиталей: s-; р-; d-.
В одном и том же энергетическом уровне энергия подуровней возрастает в ряду ES<EP<Ed<Ef.
Магнитное квантовое числоmlхарактеризует пространственную ориентацию атомной орбитали и связано с числом l, квантуется и принимает целочисленные значения, от -l до +l, включая ноль.
Число значений ml равно 2l+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 электронов (атомных орбиталей) в соответствующем подуровне:
| Подуровень | Орбитальное квантовое число l | Магнитное число ml | Число орбиталей с данным l |
| s p d f | 0 1 2 3 | 0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0 ,+1, +2,+3 | 1 3 5 7 2l+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 ml,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 относительнодруг друга, электроны различаются спином. Упрощенно спин можно представить как собственное вращение электрона вокруг своей оси (от англ. spin – веретено).
Спиновое квантовое число ms характеризует собственный момент количества движения электрона, обусловленный его движением вокруг своей оси; ms =± 
.
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 ↑ или ↓.
Итак, состояние электрона в атоме полностью характеризуется четырьмя квантовыми числами: n, l, ml и ms.
Дата: 2019-02-19, просмотров: 343.
