Квантовые характеристики состояний электрона в атоме. Физический смысл квантовых чисел.

Вся совокупность сложных движений электрона в атоме описывается 4-мя квантовыми числами.

Главное квантовое число n определяет общую энергию электрона на данной орбитали. Оно может принимать любые целые значения, начиная с единицы (n = 1,2,3,...). Под главным квантовым числом, равным ∞, подразумевают, что электрону сообщена энергия, достаточная для его полного отделения от ядра (ионизация атома).

Физический смысл:  под n понимают, что электрону сообщена энергия, достаточная для его полного отделения от ядра. Электроны в атомах обладают неодинаковой энергией и в соответствии с нею располагаются на различных расстояниях от ядра, образуя энергетические уровни (электронные слои), т.о. энергетический уровень определяется главным квантовым числом. В таблице  номер периода соответствует этому уровню = n. Электроны, соответствующие первому энергетическому уровню, располагаются на s орбиталях и т.д.:

1 – s

2 – s, p

3 – s, p, d

4 – s, p, d, f

Орбитальное квантовое число l (побочное) – введено для характеристики формы орбитали и, следовательно, электронного облака. (орбиталь — совокупность положений электрона в атоме, т.е. область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона). Допустимые значения l определяются значением n. Орбитальное кв.число принимает значения, заключённые между    0 и n – 1 

Обычно численные значения l принято обозначать следующими буквенными символами:

              Значение l 0  1  2  3
              Буквенное обозначение  s p d f

Таким образом, электрон, обладая свойствами частицы и волны, с наибольшей вероятностью движется вокруг ядра, образуя электронное облако, форма которого в s-, р-, d-, f- состояниях различна.

Форма электронного облака зависит от значения побочного квантового числа l. Так, если l = 0 (s-орбиталь), то электронное облако имеет шаровидную форму (сферическую симметрию) и не обладает направленностью в пространстве

n	l	Обозначение орбитали
1	0	1s
2	0,1	…2s2p
3	0, 1, 2	……….3s3p3d
4	0, 1, 2, 3	……………….4s4p4d4f

При l = 1 (р-орбиталь) электронное облако имеет форму гантели, т.е. форму тела вращения, полученного из «восьмерки». Формы электронных облаков d- и  f- электронов на­много сложнее.

0	1	2	3
s	p	d	f
O	8

 

Магнитное квантовое число m l (ориентированное). Это квантовое число характеризует ориентацию орбитали в пространстве. Число значений ml зависит от   L и равно (2L+1). Магнитное квантовое число может принимать значения любых целых чисел, как положительных, так и отрицательных, от –L до +L, включая 0, т.е. всего (2l + 1) значений. Например, р-орбиталь («гантель») в магнитном поле может ориентироваться в пространстве в трех различных положениях, так как в случае l = 1 магнитное квантовое число может иметь три значения: -1, 0, +1. Поэтому электронные облака вытянуты по осям х, y и z, причем ось каждого из них перпендикулярна двум другим.

 

l	ml	Число орбиталей с данным значением l
0	0 (1 положение в пр-ве)	s
1	-1, 0, +1 (3 положения в пр-ве)	PxPyPz -1 0 +1
2	-2, -1, 0, 1, 2	5 орбиталей, d уровни -2 -1 0 +1 +2
3	-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3	7 орбиталей, f подуровни -3 -2 -1 0 +1 +2 +3

 

Спиновое квантовое число S. Указанные выше 3 квантовых числа характеризуют орбиталь, на которой находится электрон, еще одно спиновое квантовое число (S) характеризует сам электрон. Электроны вращаются вокруг атомного ядра и одновременно совершают вращение вокруг собственной оси. На одной орбитали может быть не более двух электронов, при этом один из них вращается вокруг своей оси по часовой стрелке, а другой против (спаренные электроны с антипараллельными спинами). Спин – собственный момент импульса электрона, не связанный с движение в пространстве. Для всех электронов спин принимает значение +1/2 или -1/2, т.е. всего 2 возможных направления (по часовой стрелке и против). Спин представляет собой вращение электрона вокруг своей оси. Для обозначения электронов с различными спинами используются символы: ↑ и ↓.

S

 - 2 электрона, у одного спин = +1/2, у другого = -1/2, т.о., состояние электрона можно описать 4-мя квантовыми числами, но для объяснения строения электронных оболочек атомов надо знать еще 3 основных положения