Квантовые числа

Квантовые характеристики электрона. Теория Бора приписывала четырем электронным оболочкам К, L, M и N квантовое число и, равное соответственно 1, 2, 3 и 4. Эти числа соответствуют повышающимся энергетическим уровням оболочек.

Однако внимательное рассмотрение атомных спектров показывает, что линии, обусловленные переходами между такими квантовыми энергетическими уровнями, на самом деле расщеплены на более тонкие линии. Это указывает, что электронные оболочки в действительности расщеплены на подоболочки, каждая со своим собственным квантовым энергетическим уровнем. Электронные подоболочки получили обозначения по типам соответствующих им линий в атомных спектрах, а именно:

s-подоболочка названа по «резкой» (sharp) s-линии р-подоболочка названа по «главной» (principal) р-линии d-подоболочка названа по «диффузной» (diffuse) d-линии f-подоболочка названа по «фундаментальной» (fundamental) f-линии

s-Подоболочка состоит из одной s-орбитали. р-Подоболочка состоит из трех р-орбиталей (см. рис. 1.18), а d-подоболочка-из пяти d-орбиталей.

Линии, обусловленные переходами между этими подоболочками, испытывают дальнейшее расщепление, если атомы элементов помещены во внешнее магнитное поле. Это расщепление называется эффектом Зеемана. Экспериментально установлено, что указанное расщепление возможно только для р-, d- и f-подоболочек. Каждый энергетический уровень, на который они расщепляются в магнитном поле, соответствует одной орбитали в подоболочке. Магнитное поле не оказывает влияния на s-подоболочку, так как она состоит всего из одной s-орбитали сферической формы.

В отсутствие магнитного поля все орбитали одной подоболочки имеют одинаковую энергию. Орбитали, имеющие одинаковую энергию, называются вырожденными.

Атомные спектры элементов при определенных условиях обнаруживают расщепление, обусловленное наличием у электрона особого свойства -спина, которое можно представить себе как вращение электрона вокруг собственной оси. По направлению это вращение может быть правосторонним (по часовой стрелке) либо левосторонним (против часовой стрелки). Схематически это показано на рис. 1.20.

Таким образом, энергетический уровень электрона в атоме определяется следующими четырьмя характеристиками: оболочкой, подоболочкой, орбиталъю и спином. Каждой из этих характеристик сопоставляется определенное квантовое число.

Четыре квантовых числа. Главное квантовое число (и). Это квантовое число характеризует оболочку, в которой находится электрон. Оно может принимать значения

Чем больше значение и, тем выше энергетический уровень оболочки. Вспомогательное (орбитальное) квантовое число (l). Это квантовое число характеризует подоболочку, на которой находится электрон. Оно может принимать значения

l = 0, 1, ...,n- 1

где n-главное квантовое число. В подоболочке с орбитальным квантовым числом / содержится 21 + 1 орбиталей. Например,

На рис. 1.21 показано относительное расположение энергетических уровней всех s-, р- и d-подоболочек, принадлежащих первым четырем электронным оболочкам. Важно обратить внимание на особенность 48-подоболочки: ее энергетический уровень располагается ниже уровня 3<1-под обол очки.

Магнитное квантовое число (т). Как было указано выше, все орбитали одной подоболочки в обычных условиях имеют вырожденные (одинаковые) значения энергии. Однако под влиянием внешнего магнитного поля орбитальные энергии становятся дискретными, или квантовыми.

Спиновое квантовое число (s). Спиновое квантовое число электрона может принимать только одно из двух значений: + 1I1 либо —1I2.

Возможные значения четырех квантовых чисел для всех электронов, которые могут располагаться на первых трех оболочках, приведены в табл. 1.5. Следует отметить, что каждый электрон имеет свой индивидуальный набор квантовых чисел, которым он отличается от всех других электронов данного атома.

Таблица 1.5. Квантовые числа

Рис. 1.21. Диаграмма электронных энергетических уровней атома.

Оглавление: