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.