Оболочки атома¶
Оболочки атома — квантовомеханические уровни энергии, на которых располагаются электроны атома, упорядоченные по главному квантовому числу n. Совокупность электронов, занимающих одну оболочку, образует электронный слой; число оболочек у атома равно номеру периода в периодической таблице элементов.
¶Квантовомеханическое основание
Строение электронных оболочек описывается решением уравнения Шрёдингера для атома водорода и многоэлектронных атомов. Электрон в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:
- **главное *n*** — определяет энергетический уровень и радиус орбитали (n = 1, 2, 3 …);
- **орбитальное *l*** — форму орбитали (l = 0 … n−1), соответствует подуровням s, p, d, f;
- **магнитное *m*** — ориентацию орбитали в пространстве;
- **спиновое *ms*** — проекцию спина электрона (±½).
Энергия электрона в атоме водорода определяется формулой En = −13,6/n² эВ, поэтому оболочки с большими n лежат выше по энергии и удалённее от ядра.
¶Классификация оболочек
| Оболочка | n | Подуровни | Максимум электронов |
|---|---|---|---|
| K | 1 | 1s | 2 |
| L | 2 | 2s, 2p | 8 |
| M | 3 | 3s, 3p, 3d | 18 |
| N | 4 | 4s, 4p, 4d, 4f | 32 |
| O | 5 | 5s, 5p, 5d, 5f, 5g | 50 |
| P | 6 | — | 72 |
| Q | 7 | — | 98 |
Оболочки обозначаются латинскими буквами K, L, M, N, O, P, Q в порядке возрастания n. Число электронов на оболочке в общем случае равно 2n², однако фактическая заполненность определяется правилами заполнения подуровней.
¶Правила заполнения
Порядок заполнения орбиталей подчиняется правилам:
- Правило Клечковского — сначала заполняется орбиталь с наименьшей суммой n + l, при равенстве — с меньшим n.
- Правило Гунда — электрона распределяются по вырожденным орбитаям по одному, с параллельными спинами.
- Принцип Паули — в одной орбитали не может быть более двух электронов с противоположными спинами.
Из-за различия энергий подуровней заполнение оболочек не совпадает с порядком n: так, 4s заполняется раньше 3d, что приводит к аномалиям в строении ряда элементов (например, у хрома и меди конфигурация 3d⁵4s¹ и 3d¹⁰4s¹ вместо ожидаемых 3d⁴4s² и 3d⁹4s²).
¶Электронные слои и периодичность
Число электронов на внешнем слое определяет химические свойства элемента. Атомы с одинаковым числом электронов на внешнем слое образуют группу в периодической таблице:
- щелочные металлы (Li, Na, K) — 1 электрон на внешнем слое;
- благородные газы (He, Ne, Ar) — 8 (у He — 2), что обеспечивает особую устойчивость;
- галогены (F, Cl, Br) — 7.
В периоде слои заполняются слева направо, в группе — сверху вниз добавляется новая оболочка. С увеличением n радиус атома растёт, энергия ионизации уменьшается, электроотрицательность снижается.
¶Экзотические оболочки
В сверхтяжёлых элементах (Z > 103) relativistic effects приводят к сильному сжатию s- и p-орбиталей и расширению d- и f-орбиталей, нарушая обычный порядок заполнения. Теоретически предсказывается «остров стабильности» вокруг Z = 114–126, где закрытие оболочек ядра и электронных уровней обеспечивает аномально большое время жизни.
¶История
Понятие электронных оболочек возникло в работах Г. Мозли (1913), установившего закономерность смещения характеристических рентгеновских линий в зависимости от атомного номера. Модель Бора (1913) ввела дискретные орбиты с квантованным моментом импульса. Квантовая теория строения атома была развита в 1920-е годы Э. Шрёдингером, В. Гейзенбергом, В. Паули и Д. Дирком. Вклад советских физиков — работы Д. В. Скобельцына, А. Ф. Иоффа и школы И. В. Обреимова по спектроскопии атомных оболочек.
¶Источники
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория.
- Савельев В. Г. Курс общей физики.
- Гринёв С. М. Физика атома.
- Химическая энциклопедия / под ред. И. Л. Кнунянца.