Электронные конфигурации

Наша задача - разобраться в том, как заполняются электронные уровни, и как меняются при этом свойства атома по мере его усложнения.

Состояние отдельного электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:

1. главным квантовым числом n = 1, 2, 3,...;

2. орбитальным квантовым числом l = 0, 1,...n-1;

3. магнитным квантовым числом m_l = -1, -1+1,...l-1 (всего 2l+1 значений);

4. проекцией спина m_s = +1/2, -1/2;

Порядок заполнения электронных состояний определяется двумя принципами:

· принцип Паули: в атоме может быть только один электрон с данным набором квантовых чисел;

· принцип минимума энергии: в основном состоянии атома электрон занимает квантовое состояние с наинизшей возможной энергией. Следует учесть, что вследствие взаимодействия электронов друг с другом значения энергии зависят не только от главного квантового числа n, но и от орбитального l.

Совокупность электронов атома с заданным значением главного квантового числа n образует электронную оболочку атома (эти электроны объединяют близкие значения энергии и средняя удаленность от ядра; из последнего родилось и название). В водородоподобных атомах наиболее вероятное удаление от ядра зависит от n следующим образом

Различные оболочки атома обозначаются буквами: K (n=1), L (n=2), M (n=3),... Значение орбитального квантового числа принято обозначать буквами:

Запись, указывающая оболочку, значение орбитального числа и количество электронов в оболочке, называется электронной конфигурацией атома. Сначала указывают главное квантовое число, затем название состояния по орбитальному числу (s, p, d и т.д.) и в виде степени у символа число электронов в этом состоянии. Например, 1s²2s²2p³ означает: 2 электрона имеют n = 1, l = 0, для следующих двух n = 2, l = 0, и последние три электрона находятся в состоянии с n = 2, l = 1. Это электронная конфигурация атома азота.

Порядок заполнения электронных состояний определяется двумя принципами:

• принцип Паули, который гласит: в атоме не может быть двух электронов, все квантовые числа которых равны друг другу;
• принцип минимума энергии - при данном количестве электронов в атоме реализуется состояние с наименьшей энергией;

Максимальное число электронов в оболочке с заданным значением n находим суммированием

В водородоподобных атомах с одним электроном без учета спина энергия электрона зависит только от главного квантового числа n

.

В многоэлектронных атомах существено и взаимодействие электронов друг с другом. Расчеты показывают, что при данном n энергия электронов увеличивается с увеличением орбитального квантового числа l (образно говоря, центробежная сила, возникающая при орбитальном движении, стремится удалить электрон от ядра). По этой причине энергия электронов в 4s -состоянии оказывается меньше, чем в 3d -состоянии, и с ₁₉ K начинается заполнение состояний с n = 4, хотя не все состояния с n = 3 заняты. В итоге получаем следующую картину:

Вы можете потренироваться в заполнении электронных оболочек с помощью действующей компьютерной модели.

Можно также посмотреть, как выглядят пространственные распределения электронной плотности в различных состояниях (ссылка на источник здесь). Сколь причудливы и сложны эти распределения.