7.12: Конфігурації електронів

Кілька електронів, які оточують атомне ядро, матимуть різні орбітальні кутові моменти - тобто кожен електрон матиме певне значення квантового числа орбітального моменту моменту\(l\).

Електрон з\(l = 0\) називається\(s\) електроном.
Електрон з\(l = 1\) називається\(p\) електроном.
Електрон з\(l = 2\) називається\(d\) електроном.
Електрон з\(l = 3\) називається\(f\) електроном.

Це цікаве і, безумовно, нелогічне позначення походить від раннього вивчення спектрів лужних (наприклад\(\text{Na, K}\)) та лужноземельних (наприклад\(\text{Mg, Ca}\)) елементів, в яких було відзначено чотири ряди ліній, які на той час називалися серіями «Різкий», «Основний», «Дифузний» та «Фундаментальний». Тільки пізніше, коли атомна структура була краще зрозуміла, ці ряди були пов'язані з тим, з чим ми тепер знаємо електрони\(l = 0, 1, 2, 3\). (Поліцейський відділ Сан-Франциско, SFPD, НЕ є хорошим мнемоніком для використання, намагаючись запам'ятати їх.) Після\(l = 2\), листи йдуть\(g\),,\(h\)\(i\),\(k\)... і т.д.,\(j\) будучи опущені.

Електрон з, наприклад\(l = 1\), часто описується як «в р-орбіталі». Майте на увазі, однак, значення форм, описаних хвильовими функціями, як обговорюється в розділі 9.

Кажуть\(n = 1, \ 2, \ 3, \ 4\), що електрони з і т.д., знаходяться в оболонках «і\(K, \ L, \ M, \ N\) т.д.». Це майже як цікаве і не дуже логічне позначення походить від раннього вивчення рентгенівських спектрів, в якому були позначені різні спостережувані краю поглинання або групи емісійних ліній тощо\(K , \ L , \ M , \ N\), і, з подальшим знанням, вони з тих пір були пов'язані з електронами з основним квантом число є 1, 2, 3, 4. Імовірно, оскільки спочатку не було відомо, який край поглинання рентгенівського випромінювання в кінцевому підсумку виявиться «першим», було доцільно почати позначення десь біля середини алфавіту.

Обмеження значень квантових чисел разом з принципом виключення Паулі дозволяють нам зрозуміти електронні конфігурації атомів. Наприклад, електронна конфігурація міді\(\text{Cu}\), в її наземному стані є

\[1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^10 4s\]

Зазвичай це вимовляється, включаючи мене, «один-с-квадрат, два-с-квадрат, два-р-до-шостий...» тощо, але незабаром ми побачимо, що це, звичайно, не так, як це слід вимовляти, і я не буду відлякувати читача, який хоче зробити це належним чином, поки я продовжую свої неохайні шляхи.

Що це означає наступне:

The\(1\) відноситься до електронів з\(n = 1\); тобто до\(K\) -оболонки електронів. Наступні позначення\(s^2\) вказують на те, що є два\(s\) -електрони; тобто два електрони з нульовим орбітальним кутовим імпульсом. (У моделі Бор-Зоммерфельда, імовірно, вони повинні бути нерухомими, або інакше рухатися два і вперед по прямій лінії через ядро! У нас немає таких труднощів у хвильово-механічній моделі.) Тепер нагадаємо, чим\(l\) можуть мати інтегральні значення тільки до\(n−1\), так що єдиними можливими електронами в\(K\) -оболонці є\(s\) -електрони с\(l = 0\). Отже, єдино можливе значення\(m_l\) дорівнює нулю. Є два можливі значення для\(m_s\), однак,\(+1/2\) а саме\(-1/2\) так два\(s\) -електрони (але не більше двох) можливі в\(K\) -оболонці. Таким чином,\(K\) -оболонка повна, а квантові числа для двох електронів\(K\) -оболонки є:

\ begin {масив} {c c c}
n & l & m_l & m_s\\
&&&\\
1 & 0 & +1/2\\ 1\\
1 & 0 & 0 & 0 & 0 & -1/2\\
\ кінець {масив}

Далі ми підходимо до\(2s^2 2p^6\). Це говорить про те, що в\(s\)\(L\) -оболонці є два -електрони і шість\(p\) -електронів в L-оболонці. Давайте розглянемо їх квантові числа:

\ begin {масив} {c c c}
п & л & m_l & m_s\\
&&&\\
2 & 0 & +1/2\\ 2\\
2 & 0 & 0 & 0 & -1/2\\
2\\ 2 & 1 & 1\\
2 & 1\\ 2 & -1 & -1/2\\
2 & підсилювач; 1 & 0 & +1/2\\
2 & 1 & 0 & -1/2\\
2 & 1 & 1 & +1/2\\
2 & 1 & 1 & -1/2\\
\ кінець {масив}

І так далі, і так далі і так далі... Багато книг з фізики і хімії дають конфігурації наземних станів всіх атомів в таблиці Менделєєва, і такі таблиці цілком варто уважно вивчити. Нагадаємо, що для даного\(n\)\(l\) можна приймати значення тільки до\(n − 1\), так що, наприклад,\(N\) -shell (\(n = 3\)) може мати тільки\(s\)\(p\), і\(d\) електрони. Усередині даної оболонки може бути тільки два\(s\) -електрони, шість -електронів, десять\(p\)\(d\) -електронів,\(2(2l+1)\) електрони з орбітальним кутовим імпульсом квантового числа\(l\). Дана оболонка може містити лише\(2n^2\) електрони, кожен з яких має свій унікальний набір з чотирьох квантових чисел. Ви побачите, що мідь у своїй наземній конфігурації має повний\(K\)\(L\), і\(M\) оболонки плюс один зовнішній електрон у своїй\(N\) оболонці.

Як було сказано на початку цього розділу, ми очікуємо лише ввести деякі слова та ідеї, що зустрічаються в спектроскопії. Буде потрібно ретельне вивчення більш докладних підручників, і я настійно рекомендую спробувати самостійно нарощувати наземні конфігурації хоча б перших 30 елементів, аж до цинку. Порівняйте свої зусилля з таблицями в книгах, і ви виявите, що наземні конфігурації дуже небагатьох з перших тридцяти елементів можуть бути не зовсім такими, якими ви передбачали.