4. 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, т.о. энергетический уровень определяется главным квантовым числом. В таблице (строки 1-7) номер периода соответствует этому уровню = n. Электроны, соответствующие первому энергетическому уровню, располагаются на s орбиталях, т.к. там только s подуровень:

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. l = 0,1, ..., 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	1	…2s2p
3	2	……….3s3p3d
4	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

М агнитное квантовое число ml (ориентированное). Это квантовое число характеризует ориентацию орбитали в пространстве. Число значений ml зависит от l и =2l+1, 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, а спиновое квантовое число S характеризует сам электрон. Спин – собственный момент движения электрона в пространстве. Для всех электронов спин принимает значение +1/2 или -1/2, т.е. всего 2 возможных направления. Спин представляет собой вращение электрона вокруг своей оси.

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