Возрастает и при n®¥ , E®0.
Уровни значений полной энергии атома водорода представлены на рис.77.
С возрастанием квантового числа увеличивается расстояние (радиус орбиты, по которой движется электрон), а полная и потенциальная энергия стремится к нулю. Кинетическая энергия также стремится к нулю и область E > 0 соответствует состоянию свободного электрона.
Кроме главного квантового числа n = 1, 2, 3 состояние атома характеризуется орбитальным l = 0, 1, 2, n-1, определяющим форму орбиты, магнитным m 1 = -1, -1, 0, +1, +1 (ориентация орбиты в пространстве), магнитным спиновым m s = -1/2; +1/2 (собственное вращение электрона в атоме).
То есть для одинакового главного квантового числа существует множество состояний электрона (энергетических состояний), распределение, которых удовлетворяет двум принципам:
1. В атоме состояние всех электронов различны, то есть не может быть электронов, имеющих одинаковую комбинацию квантовых чисел (принцип исключения ) - установлен в 1925 году швейцарским физиком В. Паули ].
2. Распределение электронов в атоме должно соответствовать минимуму энергии атома (принцип минимума энергии ).
Общее число электронов в атоме определяется зарядом его ядра, выраженным через элементарный заряд. У атома с минимальной энергией (невозбужденного) электроны заполняют ближайшие к ядру слои, имеющим n оболочек (от 0 до n-1) с определенным количеством электронов в каждой из них.
Построение этой теории стало возможным благодаря тщательным исследованиям спектров излучения различных газов (спектров излучения атомов), в результате которых были обнаружены спектральные линии, расположенные по определенной закономерности. В атоме водорода, например, эта закономерность определена формулой Бальмера-Ридберга
, (170)
где 
с -1 - постоянная Ридберга , n и n 0 - квантовые числа, соответствующие начальному (до излучения) и конечному (после излучения) энергетическим состояниям атома.
При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую (ближнюю к ядру) атом излучает квант энергии, равный разности энергий атома до и после излучения 
.
В спектре можно выделить группы линий, которые получили название спектральных серий. Каждая серия соответствует переходам возбужденного атома на один и тот же энергетический уровень (рис.78)
Серия Лаймана расположена в ультрафиолетовой части спектра. Она образуется в результате перехода электронов с верхних энергетических уровней на основной (n=1). Из формулы (45) следует
, n= 2,3,4……
(171)
Интенсивность возрастает с уменьшением длины волны.
Серия Бальмера находится в видимой и близкой к ультрафиолетовой областях спектра. Она обнаружена в 1885 году швейцарским физиком Бальмером и является, по сути, началом построения квантовой теории атома. Из (22) для этой серии следует
, n= 3,4,5…..
(172)
Серия Пашена находится в инфракрасной области спектра. Она возникает при переходе электронов на третий энергетический уровень. Из (22) следует
, n= 4,5,6…..
(173)
Существуют и другие серии, однако спектр ограничен, так как энергетические уровни атома по мере увеличения главного квантового числа сближаются и вероятность перехода между ними мала, поэтому они практически не наблюдаются.
Основные параметры спектральных линий представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Основные параметры спектральных линий
В спектральном анализе используются как спектры излучения (эмиссионные) - спектральный анализ, так и спектры поглощения - абсорбционный анализ. Внешний вид спектров разнообразен и определяется источником излучения. Различают три основных типов спектров - сполошные, линейчатые и полосатые (см. глава 1 часть III).
В сплошном спектре имеются все длины волн (цвета) непрерывно изменяющиеся от длинноволновой части спектра к коротковолновой. Они образуются в результате совокупности многих взаимодействий между собой молекул и атомов при их хаотическом движении.
Линейчатые спектры состоят из ряда линий, каждой из которых соответствует определенная частота излучения. Они характерны для возбужденных атомов, не взаимодействующих друг с другом.
Полосатые спектры образуются молекулами. Излучение вызвано как электронными переходами в атомах, так и колебательными движениями самих атомов в молекулах. Эти спектры состоят из большого числа линий расположенных отдельными группами. Сложность молекулярных спектров обусловлена более сложным внутримолекулярным движением.
Квантовая теория строения атома достаточно убедительно объясняет такие физические явления как люминесценция, фотоэффект и световое давление, а также все наблюдаемые закономерности теплового излучения.
Что происходит с атомами элементов во время химических реакций? От чего зависят свойства элементов? На оба эти вопроса можно дать один ответ: причина лежит в строении внешнего В нашей статье мы рассмотрим электронное металлов и неметаллов и выясним зависимость между структурой внешнего уровня и свойствами элементов.
Особые свойства электронов
При прохождении химической реакции между молекулами двух или более реагентов происходят изменения в строении электронных оболочек атомов, тогда как их ядра остаются неизменными. Сначала ознакомимся с характеристиками электронов, находящихся на наиболее удаленных от ядра уровнях атома. Отрицательно заряженные частицы располагаются слоями на определенном расстоянии от ядра и друг от друга. Пространство вокруг ядра, где нахождение электронов наиболее возможно, называется электронной орбиталью. В ней сконденсировано около 90 % отрицательно заряженного электронного облака. Сам электрон в атоме проявляет свойство дуальности, он одновременно может вести себя и как частица, и как волна.
Правила заполнения электронной оболочки атома
Количество энергетических уровней, на которых находятся частицы, равно номеру периода, где располагается элемент. На что же указывает электронный состав? Оказалось, что количество электронов на внешнем энергетическом уровне для s- и p-элементов главных подгрупп малых и больших периодов соответствует номеру группы. Например, у атомов лития первой группы, имеющих два слоя, на внешней оболочке находится один электрон. Атомы серы содержат на последнем энергетическом уровне шесть электронов, так как элемент расположен в главной подгруппе шестой группы и т. д. Если же речь идет о d-элементах, то для них существует следующее правило: количество внешних отрицательных частиц равно 1 (у хрома и меди) или 2. Объясняется это тем, что по мере увеличения заряда ядра атомов вначале происходит заполнение внутреннего d- подуровня и внешние энергетические уровни остаются без изменений.
Почему изменяются свойства элементов малых периодов?
В малыми считаются 1, 2, 3 и 7 периоды. Плавное изменение свойств элементов по мере возрастания ядерных зарядов, начиная от активных металлов и заканчивая инертными газами, объясняется постепенным увеличением количества электронов на внешнем уровне. Первыми элементами в таких периодах являются те, чьи атомы имеют всего один или два электрона, способные легко отрываться от ядра. В этом случае образуется положительно заряженный ион металла.
Амфотерные элементы, например, алюминий или цинк, свои внешние энергетические уровни заполняют небольшим количеством электронов (1- у цинка, 3 - у алюминия). В зависимости от условий протекания химической реакции они могут проявлять как свойства металлов, так и неметаллов. Неметаллические элементы малых периодов содержат от 4 до 7 отрицательных частиц на внешних оболочках своих атомов и завершают ее до октета, притягивая электроны других атомов. Например, неметалл с наибольшим показателем электроотрицательности - фтор, имеет на последнем слое 7 электронов и всегда забирает один электрон не только у металлов, но и у активных неметаллических элементов: кислорода, хлора, азота. Заканчиваются малые периоды, как и большие, инертными газами, чьи одноатомные молекулы имеют полностью завершенные до 8 электронов внешние энергетические уровни.
Особенности строения атомов больших периодов
Четные ряды 4, 5, и 6 периодов состоят из элементов, внешние оболочки которых вмещают всего один или два электрона. Как мы говорили ранее, у них происходит заполнение электронами d- или f- подуровней предпоследнего слоя. Обычно это - типичные металлы. Физические и химические свойства у них изменяются очень медленно. Нечетные ряды вмещают такие элементы, у которых заполняются электронами внешние энергетические уровни по следующей схеме: металлы - амфотерный элемент - неметаллы - инертный газ. Мы уже наблюдали ее проявление во всех малых периодах. Например, в нечетном ряду 4 периода медь является металлом, цинк - амфотерен, затем от галлия и до брома происходит усиление неметаллических свойств. Заканчивается период криптоном, атомы которого имеют полностью завершенную электронную оболочку.
Как объяснить деление элементов на группы?
Каждая группа - а их в короткой форме таблицы восемь, делится еще и на подгруппы, называемые главными и побочными. Такая классификация отражает различное положение электронов на внешнем энергетическом уровне атомов элементов. Оказалось, что у элементов главных подгрупп, например, лития, натрия, калия, рубидия и цезия последний электрон расположен на s-подуровне. Элементы 7 группы главной подгруппы (галогены) заполняют отрицательными частицами свой p-подуровень.
Для представителей побочных подгрупп, таких, как хром, типичным будет наполнение электронами d-подуровня. А у элементов, входящих в семейства накопление отрицательных зарядов происходит на f-подуровне предпоследнего энергетического уровня. Более того, номер группы, как правило, совпадает с количеством электронов, способных к образованию химических связей.
В нашей статье мы выяснили, какое строение имеют внешние энергетические уровни атомов химических элементов, и определили их роль в межатомных взаимодействиях.
Сегодня поведаем о том, что такое энергетический уровень атома, когда человек сталкивается с этим понятием, и где оно применяется.
Школьная физика
Люди впервые встречаются с естественными науками в школе. И если на седьмом году обучения дети еще находят новые знания по биологии и химии интересными, то в старших классах их начинают бояться. Когда приходит черед атомной физики, уроки по этой дисциплине уже внушают только отвращение к непонятным задачам. Однако стоит помнить, что у всех открытий, которые сейчас превратились в скучные школьные предметы, нетривиальная история и целый арсенал полезных применений. Узнавать, как устроен мир - это как открывать шкатулку с чем-то интересным внутри: всегда хочется найти потайное отделение и обнаружить там еще одно сокровище. Сегодня мы расскажем об одном из базовых физики, строении вещества.
Неделимый, составной, квантовый
С древнегреческого языка слово «атом» переводится как «неделимый, наименьший». Такое представление - следствие истории науки. Некоторые древние греки и индийцы верили, что все на свете состоит из мельчайших частиц.
В современной истории были произведены намного раньше физических исследований. Ученые семнадцатого и восемнадцатого веков работали в первую очередь для увеличения военной мощи страны, короля или герцога. А чтобы создать взрывчатку и порох, надо было понять, из чего они состоят. В итоге исследователи выяснили: некоторые элементы нельзя разделить дальше определенного уровня. Значит, существуют наименьшие носители химических свойств.
Но они ошибались. Атом оказался составной частицей, а его способность изменяться носит квантовый характер. Об этом говорят и переходы энергетических уровней атома.
Положительное и отрицательное
В конце девятнадцатого века ученые вплотную подошли к изучению мельчайших частиц вещества. Например, было понятно: атом содержит как положительно, так и отрицательно заряженные составляющие. Но была неизвестна: расположение, взаимодействие, соотношение веса его элементов оставались загадкой.
Резерфорд поставил опыт по рассеянию альфа-частиц тонкой Он выяснил, что в центре атомов находятся тяжелые положительные элементы, а по краям расположены очень легкие отрицательные. Значит, носителями разных зарядов являются не похожие друг на друга частицы. Это объясняло заряд атомов: к ним можно было добавить элемент или удалить его. Равновесие, которое поддерживало нейтральность всей системы, нарушалось, и атом приобретал заряд.
Электроны, протоны, нейтроны
Позже выяснилось: легкие отрицательные частицы - это электроны, а тяжелое положительное ядро состоит из двух видов нуклонов (протонов и нейтронов). Протоны отличались от нейтронов только тем, что первые были положительно заряженными и тяжелыми, а вторые имели только массу. Изменить состав и заряд ядра сложно: для этого требуются неимоверные энергии. А вот электроном атом делится гораздо легче. Есть более электроотрицательные атомы, которые охотнее «отбирают» электрон, и менее электроотрицательные, которые скорее «отдадут» его. Так формируется заряд атома: если электронов избыток, то он отрицательный, а если недостаток - то положительный.
Длинная жизнь вселенной
Но такое строение атома озадачивало ученых. Согласно господствовавшей в те времена классической физике, электрон, который все время двигался вокруг ядра, должен был непрерывно излучать электромагнитные волны. Так как этот процесс означает потерю энергии, то все отрицательные частицы вскоре потеряли бы свою скорость и упали на ядро. Однако вселенная существует уже очень долго, а всемирной катастрофы еще не произошло. Назревал парадокс слишком старой материи.
Постулаты Бора
Объяснить несоответствие смогли постулаты Бора. Тогда это были просто утверждения, скачки в неизвестное, которые не подтверждались расчетами или теорией. Согласно постулатам, существовали в атоме энергетические уровни электронов. Каждая отрицательно заряженная частица могла находиться только на этих уровнях. Переход между орбиталями (так назвали уровни) осуществляется прыжком, при этом выделяется или поглощается квант электромагнитной энергии.
Позже открытие Планком кванта объяснило такое поведение электронов.
Свет и атом
Количество энергии, необходимой для перехода, зависит от расстояния между энергетическими уровнями атома. Чем они дальше друг от друга, тем больше выделяемый или поглощаемый квант.
Как известно, свет - это и есть квант электромагнитного поля. Таким образом, когда электрон в атоме переходит с более высокого на более низкий уровень, он творит свет. При этом действует и обратный закон: когда электромагнитная волна падает на предмет, она возбуждает его электроны, и они переходят на более высокую орбиталь.
Кроме того, энергетические уровни атома индивидуальны для каждого вида химического элемента. Узор расстояний между орбиталями различается для водорода и золота, вольфрама и меди, брома и серы. Поэтому анализ спектров испускания любого объекта (в том числе и звезды) однозначно определяет, какие вещества и в каком количестве в нем присутствуют.
Применяется этот метод невероятно широко. Спектральный анализ используется:
- в криминалистике;
- в контроле качества еды и воды;
- в производстве товаров;
- в создании новых материалов;
- в усовершенствовании технологий;
- в научных экспериментах;
- в исследовании звезд.
Этот перечень лишь примерно показывает, насколько полезным оказалось открытие электронных уровней в атоме. Электронные уровни - самые грубые, самые большие. Существуют более мелкие колебательные, и еще более тонкие вращательные уровни. Но они актуальны только для сложных соединений - молекул и твердых тел.
Надо сказать, что структура ядра до сих пор не исследована до конца. Например, нет ответа на вопрос о том, почему определенному количеству протонов соответствует именно такое число нейтронов. Ученые предполагают, что атомное ядро тоже содержит некий аналог электронных уровней. Однако до сих пор это не доказано.
При изучении мы узнали, чему равно максимальное число электронов на каждой орбитали, на различных энергетических уровнях и подуровнях.
Что еще нужно знать для установления строения электронной оболочки атома любого элемента? Для этого нужно знать порядок заполнения орбиталей электронами.
Порядок заполнения электронами атомных орбиталей определяет принцип наименьшей энергии (принцип минимума энергии):
Основное (устойчивое) состояние атома - это такое состояние, которое характеризуется минимальной энергией. Поэтому электроны заполняют орбитали в порядке увеличения их энергии.
Орбитали одного подуровня имеют одинаковую энергию.
Например, три орбитали данного р-подуровня имеют одинаковую энергию.
Поэтому принцип наименьшей энергии определяет порядок заполнения энергетических подуровней: электроны заполняют энергетические подуровни в порядке увеличения их энергии.
Как показывает рисунок ниже, наименьшую энергию имеет 15-подуровень, который первым заполняется электронами.
Затем последовательно заполняется электронами следующие подуровни: 2s, 2р, 3s, 3р. После 3р-подуровня электроны заполняют 4, подуровень, так как он имеет меньшую энергию, чем 3d-подуровень.
Это объясняется тем, что энергия подуровня определяется суммой главного и побочного квантовых чисел, т. е. суммой (n + l ). Чем меньше эта сумма, тем меньше энергия подуровня. Если суммы n + l одинаковы для разных подуровней, то их энергия тем меньше, чем меньше главное квантовое число n. Изложенные правила были сформулированы в 1951 г. советским ученым В. М. Клечковским (правила Клечковского ).
На подуровнях, которые показаны на рисунке, может разместиться 112 электронов. В атомах известных элементов находится от 1 до 110 электронов. Поэтому другие подуровни в основных состояниях атомов не заполняются электронами.
Наконец, осталось выяснить вопрос, в каком порядке электроны заполняют орбитам одного подуровня. Для этого нужно познакомиться с правилом Гунда :
На одном подуровне электроны располагаются так, чтобы абсолютное значение суммы спиновых квантовых чисел (суммарного спина) было максимальным. Это соответствует устойчивому состоянию атома.
Рассмотрим, например, какое расположение трех электронов на р-подуровне соответствует устойчивому состоянию атома:
Рассчитаем абсолютное значение суммарного спина для каждого состояния:
Строение электронных оболочек (электронные конфигурации) атомов элементов I – IV периодов
Чтобы правильно изобразить электронные конфигурации различных атомов, нужно знать:
1) число электронов в атоме (равно порядковому номеру элемента);
2) максимальное число электронов на уровнях, подуровнях;
3) порядок заполнения подуровней и орбиталей.
Элементы
I
периода:
В таблицах представлены схемы электронного строения, электронные и электронно-графические формулы атомов элементов II, III и IV периодов.
Элементы
II
периода:
Элементы
III
периода:
Элементы
IV
периода:
2. Строение ядер и электронных оболочек атомов
2.6. Энергетические уровни и подуровни
Наиболее важной характеристикой состояния электрона в атоме является энергия электрона, которая согласно законам квантовой механики изменяется не непрерывно, а скачкообразно, т.е. может принимать только вполне определенные значения. Таким образом, можно говорить о наличии в атоме набора энергетических уровней.
Энергетический уровень - совокупность АО с близкими значениями энергии.
Энергетические уровни нумеруют с помощью главного квантового числа n , которое может принимать только целочисленные положительные значения (n = 1, 2, 3, ...). Чем больше значение n , тем выше энергия электрона и данного энергетического уровня. Каждый атом содержит бесконечное число энергетических уровней, часть из которых в основном состоянии атома заселена электронами, а часть - нет (эти энергетические уровни заселяются в возбужденном состоянии атома).
Электронный слой - совокупность электронов, находящихся на данном энергетическом уровне.
Иными словами, электронный слой - это энергетический уровень, содержащий электроны.
Совокупность электронных слоев образует электронную оболочку атома.
В пределах одного и того же электронного слоя электроны могут несколько различаться по энергии, в связи с чем говорят, что энергетические уровни расщепляются на энергетические подуровни (подслои ). Число подуровней, на которые расщепляется данный энергетический уровень, равно номеру главного квантового числа энергетического уровня:
N (подур) = n (уровн) . (2.4)
Подуровни изображаются с помощью цифр и букв: цифра отвечает номеру энергетического уровня (электронного слоя), буква - природе АО, формирующей подуровни (s -, p -, d -, f -), например: 2p -подуровень (2p -АО, 2p -электрон).
Таким образом, первый энергетический уровень (рис. 2.5) состоит из одного подуровня (1s ), второй - из двух (2s и 2p ), третий - из трех (3s , 3p и 3d ), четвертый из четырех (4s , 4p , 4d и 4f ) и т.д. Каждый подуровень содержит определенное число АО:
N (AO) = n 2 . (2.5)
Рис. 2.5. Схема энергетических уровней и подуровней для первых трех электронных слоев
1. АО s -типа имеются на всех энергетических уровнях, p -типа появляются начиная со второго энергетического уровня, d -типа - с третьего, f -типа - с четвертого и т.д.
2. На данном энергетическом уровне может быть одна s -, три p -, пять d -, семь f -орбиталей.
3. Чем больше главное квантовое число, тем больше размеры АО.
Поскольку на одной АО не может находиться более двух электронов, общее (максимальное) число электронов на данном энергетическом уровне в 2 раза больше числа АО и равно:
N (e) = 2n 2 . (2.6)
Таким образом, на данном энергетическом уровне максимально может быть 2 электрона s -типа, 6 электронов р -типа и 10 электронов d -типа. Всего же на первом энергетическом уровне максимальное число электронов равно 2, на втором - 8 (2 s -типа и 6 р -типа), на третьем - 18 (2 s -типа, 6 р -типа и 10 d -типа). Эти выводы удобно обобщить в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Связь между главным квантовым числом, числом э