Квантово-механічна модель атома

Орбиіаль – область простору всередині атома, у якій зосереджена велика частина заряду електрона. Орбіталь розглядається як сукупність імовірних (приблизно 90% можливих) положень електрона. Назва «орбіталь» (а не орбіта) відображає геометричне уявлення про стаціонарних станах електрона в атомі, підкреслюючи той факт, що стану електрона в атомі описується законами квантової механіки і відрізняється від класичного руху по траєкторії.

Вивчення атомних орбіталей, розрахованих за допомогою рівняння Шредінгера, показало, що характер руху електрона в атомі визначається чотирма числами – п, l, m, s, які отримали загальну назву квантових чисел: головне, орбітальне, магнітне і спінове.

Головне квантове число n. Це число може приймати будь-які позитивні цілочисельні значення: n = 1, 2, 3. Визначає орбітальний радіус і відповідний головний енергетичний рівень En. Сукупність атомних орбіталей з однаковим значенням головного квантового числа n складають одну електронну оболонку.

Орбітальним радіусом rорб називають відстань від ядра атома до найбільш віддаленої точки поверхні, що зображає атомну орбіталь. Для сферичної поверхні орбітальний радіус дорівнює радіусу сфери. Для поверхні у вигляді пісочного годинника орбітальний радіус дорівнює діаметру однією зі складових сфер (рис. 3.1).

Головним енергетичним рівнем називають частину енергії атома, яка визначається головним квантовим числом п.

Енергія притягання між електроном і ядром зменшується обернено пропорційно квадрату головного квантового числа n2, а орбітальний радіус rорб збільшується пропорційно цій величині. Зі збільшенням числа п електрон в середньому знаходиться все далі від ядра. При п → ∞ енергія тяжіння стає рівною нулю, електрон відривається від ядра. Відбувається іонізація атома.

Таким чином, головні енергетичні рівні Еп атома можна визначати експериментально виміром мінімальної енергії, необхідної для відриву електрона від атома. Обумовлена ​​таким способом величина називається енергією іонізації атома – I. Це дуже важлива характеристика атома, від якої залежать його властивості, зокрема електронегативність. Еп зменшується зі зростанням головного квантового числа п і орбітального радіуса rорб.

Орбітальний квантове число l. Число l може приймати цілочисельні значення: l = 0, 1, 2, п – 1, тобто максимальне значення l не перевищує п – 1, де п – головне квантове число.

Величина l визначає форму атомної орбіталі і орбітальний підрівень енергії Enl – головного енергетичного рівня атома при даному п. При l = 0 форма орбіталі сферична і називається s-орбиталью. При l = 1 орбіталь має форму пісочного годинника (гантелі) і називається р-орбиталью. При l = 2 форма орбіталі Чотирьохлопатевий і називається d-орбиталью.

У р-орбіталей є вузол, а у d-орбіталей вузлові площині, де хвильові функції дорівнюють нулю. Знаки лопатей чергуються. При п = 1 є тільки одна s-орбіталь і відсутні інші підрівні енергії і орбіталі. При п = 2 є 2s (l = 0) – і 2р (l = 1) орбіталі різної орієнтації. Їм відповідають енергетичні підрівні Е2s “Е2р. При п = 3 є одна 3s (l = 0) -, 3р (l = 1) – і 3d (l = 2) орбіталі різних ориен-таций. Їм відповідають енергетичні підрівні E3s, Е3p ‘E3d.

Магнітне квантове число m. Число т приймає цілочисельні значення: 0, ± 1, ± 2, ± l. Визначають орієнтацію орбіталей у просторі, їх число на даному орбітальному підрівні Enl і магнітний енергетичний підрівень Enlm. На кожному орбітальному підрівні Е (l = 1) є три пр-орбіталі з орієнтацією уздовж осей х, у, z. Наприклад, при п = 2 подуровню E2l (l = 1) відповідають орбіталі 2рх (m = ± 1), 2ру (m = -1) і 2рz (m = 0) (рис. 3.3).

Спіновий квантове число s. Число s приймає два значення: +0,5 і -0,5. Характеризує власне обертальний рух електрона. На кожній атомній орбіталі двома значеннями S = ​​± 0,5 відповідає обертання за годинниковою і проти годинникової стрілки. Відповідно є два спінових підрівня енергії Enlms.

Чотири квантових числа n, l, m, s характеризують різні типи просторового квантування при русі одного електрона в атомі і визначають відповідні квантові енергетичні рівні.

Орбиталь φnlm і відповідний енергетичний рівень Enlm, який визначається чотирма квантовими числами п, l, m, s, називають квантовим станом електрона в атомі.

Посилання на основну публікацію