Состояния электронов в атоме. Принцип Паули. Структура многоэлектронного атома

Условие, в котором находится электрон в атоме, называют электронным состоянием. Это состояние определяется набором четырех квантовых чисел: n, l, m_lи m_s. Их называют: n– главное квантовое число, l– орбитальное квантовое число, m_l– магнитное квантовое число (или магнитно-орбитальное квантовое число), m_s– магнитно-спиновое квантовое число. Введение этих квантовых чисел обусловлено тем, что электрон атома, находясь в определенном состоянии, характеризуется определенными значениями энергии, орбитальным и спиновым моментами импульса, орбитальным и спиновым магнитными моментами и проекциями этих величин на направление магнитного поля. Квантовые числа могут принимать следующие значения:

 

n– 1, 2, 3, …, ∞;

 

при заданном значении n, lможет принимать только следующие значения:

 

l– 0, 1, 2, 3, … n-1;

 

при заданном значении l, m_lможет принимать только следующие значения:

 

m_l - l, -l+ 1, -l+ 2, -l+ 3, … 0, 1, 2, 3, … l(2l+ 1) – значение;

 

m_s- ± 1/2 (только два значения).

 

Согласно принципу Паули в атоме не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом состоянии, или в атоме не может быть двух электронов характеризующихся одинаковым набором четырех квантовых чисел.

Для энергетической характеристики свободных атомов (атомов, на которые не действуют внешнее поле) электронные состояния этих атомов принято обозначать с помощью квантовых чисел nи l. При этом квантовые числа nобозначают цифрами, а l– буквами в следующем соответствии:

 

l– 0, 1, 2, 3, … n-1;

s, p, d, f, …

У электронов атома возможны следующие электронные состояния:

 

1s

2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

- - - -

Схема возможных энергетических уровней электронов в атоме приведена на рис. 11.1.

2p	n	l	ml	ms
			1/2
			-1/2
			1/2
			-1/2
		-1	1/2
		-1	-1/2

Каждый из указанных уровней включает в себя 2(2l+ 1) состояний. Например, уровень энергии 2pвключает в себя 6 состояний с указанным в таблице набором квантовых чисел.

В свободном атоме, электроны,

подчиняясь принципу Паули, занимают прежде всего свободные состояния с минимально возможной энергией. Например, у атомов меди (Cu, z= 29) электроны следующим образом распределены по электронным состояниям:

.

Записанное выражение называют электронной конфигурацией атома, которая указывает на структуру распределения электронов по оболочкам и подоболочкам. Электроны с одинаковым значение nобразуют оболочку атома. Различают следующие оболочки:

 

n 1 2 3 4 …

Число электронов

в оболочке (2n²) 2 8 18 32

Условное

обозначение K L M L

Электроны, которые характеризуются одинаковыми значениями n и lобразуют подоболочку. Число электронов в подоболочке равно 2(2l+ 1). Итак, у атома Cu, находящегося в свободном состоянии, электроны заполнили полностью K, L, и Mоболочки, внешний (валентный) электрон находится в состоянии 4s. Если возбудить атом (сообщить ему незначительное количество энергии), то изменит свою энергию прежде всего внешний электрон, перейдя, например, в состояние 4pи электронная конфигурация у атома примет выражение: .Для вывода электронов из полностью заполненных оболочек потребуется сообщить атому значительную долю энергии (используя, например, рентгеновское или гамма излучение).