…Но где-то на пределах скорости,
Где бешена частиц сумятица,
Ворочается зверь искусственный;
Ворчит, себе добычи ищет он,
Зверь механический, бесчувственный,
Детально вымерен и высчитан.
Леонид Мартынов. Что делается в механике…
Итак, состояния электрона в атоме являются дискретными (счетными), каждое описывается своей волновой функцией, определяемой набором четырех квантовых чисел (n, ℓ, m, ms), что обозначают Y(n, ℓ, m, ms) или Yn, ℓ, m, ms; например, Y(1, 0, 0, ½) - Y‑функция для n = 1, ℓ = 0, m = 0, ms = 1/2. Изменение любого квантового числа, кроме спинового, приводит к изменению конкретного математического выражения для Y‑функции. В химии обычно используют не понятие волновой функции, а атомнойорбитали (АО).
Состояние электрона в атоме без учета спина получило название атомнаяорбиталь (АО), т. е. АО однозначно задается значениями трех квантовых чисел (n, ℓ, m). Важно усвоить, что электрон обязательно находится в некотором состоянии, иначе – занимает некоторую атомную орбиталь и не может быть в каких-либо иных состояниях, кроме описываемых наборами (n, ℓ, m). Образно говоря, электрон в атоме обязательно «живет» на АО, он может в принципе переходить с одной АО на другую, но никогда не может оказаться «между» орбиталями! Атомная орбиталь, т. е. конкретные значения (n, ℓ, m), задает значения энергии, импульса и других свойств электрона (по сути, АО и Y‑функция – синонимы).
Для АО с разными ℓ в химии приняты следующие обозначения:
| Цифровое (ℓ) | 4 и т. д. | ||||
| Буквенное | s | p | d | f | g и т. д. |
Из соотношений между n, ℓ и m следует, что значению n = 1 соответствует одна АО (1, 0, 0) – Y100 или 1s; для n = 2 существуют четыре АО: одна 2s-орбиталь (2, 0, 0) и три 2р-орбитали (2, 1, -1), (2, 1, 0), (2, 1, 1). Для n = 3 имеется 9 различных АО и т. д. Таким образом, существует n2 орбиталей для соответствующего n.
Важно отметить, что описание атома водорода, имеющего только одинэлектрон, и всех остальных атомов, содержащих более одного электрона, отличается из-за существования в последних межэлектронных взаимодействий. В атоме водорода существует только одно взаимодействие – взаимное притяжение разноименно заряженных электрона и ядра; в многоэлектронных частицах начиная с Не взаимодействий становится много (не менее трех) – притяжение каждого из электронов к ядру и их взаимное отталкивание.