Как известно, свет проявляет свойства как потока частиц, так и электромагнитной волны, т.е. фотоны обладают корпускулярно-волновой двойственностью. Создание квантовой механики произошло на пути обобщения представлений о корпускулярно-волновой двойственности фотона на все объекты микромира и, прежде всего, на электроны. Электрон – это не только частица, он ещё обладает и волновыми свойствами.
В связи с тем, что частицы микромира, в том числе и электрон, отличны по своим свойствам от макроскопических тел, то для описания микрочастиц нужны совсем другие представления, отличные от представлений о законах макромира. Если для описания состояния частицы в макро мире необходимо знать координаты частицы и её скорость (или импульс), то в микромире нельзя одновременно определить и координаты микрочастицы и её импульс (принцип неопределённости Гейзенберга). Для характеристики состояния электрона используется волновая функция y. Смысл волновой функции заключается в том, что вероятность обнаружения электрона в некотором объёме пространства DV выражается произведением y2×DV. Таким образом, квадрат волновой функции y2 выражает плотность вероятности нахождения электрона в соответствующей области пространства. Электрон можно представить себе в виде облака, распределённого по всему объёму атома. Чем больше y2 в данной точке пространства, тем больше плотность электронного облака (на рисунке 1.1 это показано большей плотностью точек), и тем более вероятно нахождение электрона именно в данной точке пространства.
Применение законов квантовой механики к описанию состояния электрона в атоме показывает, что состояние электрона можно описать с помощью четырёх квантовых чисел: главного, орбитального, магнитного и спинового Рисунок 1.1 – Схематическое изображение электронного облака
Главное квантовое числоЭнергия электрона в атоме – величина квантованная; главное квантовое число (n) характеризует возможные значения энергии электрона в атоме. Главное квантовое число может принимать любые положительные целочисленные значения: n = 1, 2, 3, 4, ... и т.д. Наименьшей энергией электрон обладает при n = 1. Более высокие значения n соответствуют более высоким значениям энергии электрона.
Главное квантовое число определяет также и размеры электронного облака. Чем больше энергия электрона, тем более удалён он от ядра. Поэтому большему значению главного квантового числа соответствует больший размер электронного облака. Электроны, характеризующиеся одним и тем же значением главного квантового числа n, образуют электронные облака приблизительно одинаковых размеров. Это позволяет говорить о существовании в атоме электронных слоёв (или электронных оболочек). Вместо понятия «электронный слой» часто употребляют понятие «энергетический уровень». Если несколько электронов характеризуются одним и тем же значением главного квантового числа, то в этом случае говорят, что электроны находятся на одном и том же энергетическом уровне. Если n = 1, то электроны находятся на первом энергетическом уровне (самом близком к ядру); если n = 2, то электроны находятся на втором энергетическом уровне (более удалённом от ядра) и т.д.