Слои и оболочки

Состояние электрона в кулоновском поле ядра (т.е. водородоподобном атоме) характеризуется четырьмя квантовыми числами:

1) главным квантовым числом n =1, 2, 3,…, которое определяет спектр энергии водородоподобного атома

, (1)

2) орбитальным квантовым числом l = 0, 1, 2, 3,… n –1, характеризующим соответственно s, p, d, f,… состояния; с орбитальным числом l связан модуль вектора орбитального углового момента электрона

, (2)

3) магнитным квантовым числом l, - l + 1,…0,… l – 1, l (всего 2 l +1 значений), определяющим проекцию на ось орбитального углового момента

, (3)

4) магнитное спиновое число m _s=±½, определяющее две возможные проекции спинового углового момента

. (4)

В первом приближении состояние электрона в многоэлектронном атоме характеризуется теми же квантовыми числами, что и в водородоподобном атоме.

В основе строения электронных оболочек атома лежат два принципа:

1) принцип Паули: в атоме может существовать только один электрон, характеризуемый значениями четырех квантовых чисел, т.е. два электрона в атоме должны различаться значениями, по крайней мере, одного квантового числа;

2) принцип минимума энергии: при данном общем числе электронов в атоме осуществляется состояние с минимальной энергией.

В структуре атома выделяют слои и оболочки. Совокупность электронов, обладающих одинаковым главным квантовым числом n, образуют электронный слой. Для различных значений n слои имеют обозначения, принятые в спектроскопии рентгеновских лучей:

n …1, 2, 3, 4, 5…

слой…K, L, M, N, O…

Совокупность электронов, имеющих одинаковые n и l, образуют электронную оболочку. Оболочки, принадлежащие данному слою, обозначаются соответственно:

l …0, 1, 2, 3… n –1

оболочки… s, p, d, f …

Количество электронных состояний в электронной оболочке очевидно равно 2(2 l +1), а в слое – сумме вида:

В водородоподобном атоме все электронные состояния, принадлежащие данному электронному слою, имеют одинаковую энергию, определяемую формулой (1). Ситуация, когда одному собственному значению соответствует N собственных функций, называют N -кратным вырождением. Таким образом, кратность вырождения каждого уровня энергии E_n водородоподобного атома равна 2 n ². В многоэлектронном атоме это вырождение снимается возмущениями различной природы: взаимодействием с другими электронами, спин-орбитальным взаимодействием, взаимодействием с магнитным моментом ядра и нулевыми колебаниями вакуума. Поэтому, строго говоря, все электроны в многоэлектронном атоме имеют разную энергию.