1.9. Периодический закон химических элементов

Существует довольно определенная (хотя и не простая и не полностью однозначная) периодическая последовательность заполнения электронами атома его дискретных уровней – орбиталей, оболочек, слоев. По мере роста заряда ядра происходит закономерная, периодическая повторяемость сходных атомных электронных структур, а, следовательно, и повторяемость их свойств, зависящих от строения электронных оболочек атомов:

Свойства химических элементов, которые определяются электронной структурой их атомов (в первую очередь химические свойства элементов), проявляют выраженную периодичность в зависимости от числа атомных электронов, то есть, в конечном счете – от заряда Zе атомных ядер.

В этом заключается содержание и объяснение периодического закона, открытого в 1869 году Д.И. Менделеевым в форме зависимости свойств элементов от их атомных весов. Периодический закон представляется в наглядной форме в виде периодической таблицы элементов (рис. 1.14).

В основе периодического закона лежит порядок формирования электронной оболочки атома с ростом заряда ядра и соответственно числа электронов в атоме в согласии с:

а) с минимумом энергии невозбужденного состояния;

б) принципом Паули (на одной АО может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами);

в) порядком заполнения орбиталей в соответствии с правилами Хунда.

1.10. Магнетизм электронной оболочки атома

Магнитные свойства атома обусловлены тремя причинами: орбитальным движением электронов, электронными спинами и магнетизмом атомного ядра.

1.10.1. Орбитальный и спиновый магнетизм электронной оболочки одноэлектронного атома

Согласно представлениям классической электродинамики, движущийся вокруг ядра атома электрон со скоростью v обладает так называемым орбитальным магнитным моментом (рис. 1.15):

_m= IS/c = (ev/2r)(r²)(1/c) = evr/(2c).

Орбитальный механический момент импульса движущегося по орбите электрона равен M_e=m_evr. Отсюда: _m=-(e/2m_ec)M_e и отношение магнитного момента электрона к его механическому моменту, называемое гиромагнитным отношением, равно

_m/M_e = -(e/2m_ec).

Хотя, строго говоря, понятие траектории к электронам атома не применимо, квантовомеханические расчеты дают тот же результат.

Рис. 1.15. Механический момент импульса M_e и магнитный момент _m движущегося по орбитали атома электрона e (V – скорость электрона, I – электрический ток, связанный с движением электрона).

Рис. 1.16. Сложение векторов S и L и соответствующих им магнитных моментов _S и _L с образованием суммарного магнитного момента из-за отрицательного знака электронного заряда магнитные моменты _S и _L антипараллельны соответствующим механическим моментам S и L, а из-за гиромагнитной аномалии электрона вектор суммарного магнитного момента  составляет с суммарным вектором механического момента J угол, меньший 180^о, _J – проекция суммарного магнитного момента на направление вектора J).

Величины векторов магнитных моментов, связанных со спиновым и орбитальным моментом количества движения электрона, равны соответственно:

_S = se/mc = [s(s+1)]^1/2e/mc = (3)^1/2_B ;

_L=|l| e/2mc = [l(l+1)]^1/2e/2mc = [l(l+1)]^1/2_B ;

где _B – «квант» магнитного момента, называемый магнетоном Бора (единица магнитного момента для микрочастиц).

Проекции векторов указанных магнитных моментов на выделенное направление z равны соответственно:

_S^z =_B; _L^z= m_l_B .

Магнетомеханическое (гиромагнитное) отношениеg определяемое как отношение магнитного момента (в магнетонах Бора) к механическому моменту, равно для спинового и орбитального движения электрона соответственно: g_spin=2 и g_orb=1. По более точным расчетам квантовой электродинамики (J. Swinger, 1948 г; C.M. Sommerfield, 1957 г.), учитывающим взаимодействие частицы с так называемыми “нулевыми” флуктуациями электромагнитного поля (то есть с вакуумом), =_B(1+/2-0,328²/²) и g_spin=2,00232.

Единицы измерения магнитного момента: А⋅м² или Дж/Тл(СИ), эрг/Гс(СГС), 1 эрг/Гс = 10^-3Дж/Тл. Специфической единицей элементарного магнитного момента является _B.