• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Квантові числа

Згідно з квантово-механічною теорією стан електрона в атомі характеризується значеннями чотирьох квантових чисел: n – головного, l – орбітального, m_l – магнітного, s – спінового.

Головне квантове число n.Основною характеристикою електрона, який обертається навколо ядра, є його енергія. У реальному атомі енергія електрона квантована, тобто набуває не будь-яких, а певних дискретних значень, що відповідають теорії квантів. Перехід електрона з одного квантового стану в інший пов’язаний зі стрибкоподібною зміною його енергії.

Головне квантовечисло визначає радіус рівня (середню відстань від ядра до ділянки підвищеної електронної густини) або загальну енергію електрона на певному рівні. Воно має додатні цілочислові значення1,2,3…¥. Найменшу енергію електрон має при n=1. Квантовий стан атома з найменшою енергією Е називається основним. Зі збільшенням значення n загальна енергія електрона збільшується. Квантовий стан атома з більшими значеннями енергії Е₂, Е₃, ..., Е_n називається збудженим. Електрон в основному стані зв’язаний із ядром найміцніше; у збудженому - зв’язок послаблюється. Стан електрона, який характеризується певним значенням головного квантового числа, називають енергетичним рівнем. Для енергетичних рівнів електрона в атомі, що відповідають різним значенням n, прийняті позначення великими латинськими літерами:

Головне квантове число 1 2 3 4 5 6 7

Енергетичні рівні K L M N O P Q

Максимальна кількість енергетичних рівнів, яку може мати атом в основному стані, відповідає номеру періоду, у якому розміщений певний хімічний елемент. Щоб перевести електрон із нижчого енергетичного рівня на вищий, необхідна енергія. Цією величиною і визначається енергія зв’язку Е_зв електрона, вона обернено залежить від квадрата головного квантового числа:

Дж.

Головне квантове число визначає розміри електронної хмари. Квантові переходи електрона відповідають стрибкоподібній зміні середнього розміру електронної хмари: зменшення енергії зв’язку електрона з ядром пов’язане зі збільшенням об’єму хмари і навпаки. Згідно з квантово-механічними обчисленнями радіуси з найбільшою імовірністю місцезнаходження електрона в атомі гідрогену дорівнюють 0,053 нм (n=1), 0,212 нм (n=2), 0,477 нм (n=3) і т.д. Значення цих радіусів відносяться як квадрати простих чисел (головного квантового числа), тобто 1²:2²:3² і т.д. Отже, максимальні електронні густини в атомі водню зосереджені на таких відстанях від ядра, які відповідають радіусам орбіталей у теорії Бора. Однак узгоджені висновки двох теорій (теорії Бора і квантово-механічної) одержані лише для атома гідрогену, але й вони мають різне трактування.

Орбітальне квантове число l. Під час розгляду через спектроскоп із високою роздільною здатністю лінійчастих спектрів, які відповідають переходу електрона з одного енергетичного рівня на інший, видно, що вони переважно складаються з кількох близько розміщених окремих ліній. Така тонка структура спектрів (мультиплетність) указує на різні квантові стани електронів на певному енергетичному рівні, що зумовлено різною формою електронних орбіталей. Отже, основні енергетичні рівні складаються з певного числа енергетичних підрівнів, які й проявляються в тонкій структурі спектрів.

Для характеристики енергії електрона на підрівні, або форми електронних орбіталей, введеноорбітальне квантове число l,яке називається також азимутальним квантовим числом. Воно дорівнює значенню орбітального моменту кількості руху електрона.

Орбітальне квантове число може мати значення від 0 до n-1. Кожному значенню l відповідає певний підрівень. Енергетичні підрівні позначаються цифрами й маленькими латинськими літерами:

Орбітальне квантове число 0 1 2 3

Енергетичні підрівні s p d f

Можлива кількість підрівнів для кожного енергетичного рівня дорівнює номеру рівня, тобто величині головного квантового числа. Так, на першому енергетичному рівні, що характеризується головним квантовим числом n = 1, може бути лише один підрівень з орбітальним квантовим числом l = 0. На другому енергетичному рівні (n = 2) можуть бути два підрівні, яким відповідають орбітальні квантові числа l = 0;1. Третій енергетичний рівень (n = 3) має три підрівні з відповідними їм орбітальними квантовими числами 0;1;2. На четвертому енергетичному рівні (n = 4) можуть бути чотири підрівні, кожен із яких має своє значення орбітального квантового числа: 0;1;2;3.

Відповідно до літерних позначень енергетичних підрівнів електрони, які знаходяться на них, називаються s-, p-, d-, f-електронами. На першому енергетичному рівні можуть знаходитись лише s-електрони; на другому – s- і p-електрони; на третьому – s-, p- і d-електрони. При певному значенні головного квантового числа n найменшу енергію мають s-електрони, потім - p-, d- і f-електрони. Відповідно до квантово-механічних розрахунків s-орбіталі мають форму кулі (сферичну симетрію), p-орбіталі – форму гантелі, d- і f-орбіталі – складніші форми. Під формою орбіталі треба розуміти таку просторову геометричну модель, у межах якої перебування електрона найімовірніше. Форми граничних поверхонь s-, p- і d-орбіталей наведені на рис. 10.

Стан електрона в атомі, що відповідає певним значенням n і l, записують так: спочатку цифрою позначають головне квантове число, а потім буквою – орбітальне квантове число. Наприклад, позначення 3s відповідає електрону, який характеризується головним квантовим числом n = 3 і орбітальним квантовим числом l = 0 (орбіталь має форму кулі); 4р означає, що електрон характеризується головним квантовим числом n = 4 і орбітальним р = 1 (орбіталь має форму гантелі).

Магнітне квантове число m_l.

себе подібно до магніту і тому характеризується не лише орбітальним, а ще й магнітним моментом. Енергетичні зміни електронів, які при цьому відбуваються, можна пояснити різним розміщенням електронних орбіталей у просторі одна відносно одної.

Просторове розміщення електронних орбіталей відносно направленості магнітного поля характеризується третім квантовим числом m_l, яке називається магнітним.

Магнітне квантове число може мати цілочислові значення (додатні й від’ємні) від +l до – l .

Отже, число значень магнітного квантового числа залежить від орбітального квантового числа і вказує, скільки може бути орбіталей з певним значенням l. Так, для s-електронів можливе лише одне значення m_l=0(2×0+1=1); для р-електронів (l=1) - три значення m_l (-1;0;+1); для d-електронів (l=2) магнітне квантове число може мати п’ять значень (-2;-1;0;+1;+2); для f-електронів (l=3) – сім значень (-3;-2;-1;0;+1;+2;+3). Певному значенню l відповідає (2l + 1) можливих значень магнітного квантового числа.Орбіталі з однаковою енергією називаються виродженими,тому р-стан вироджений трикратно, d-стан – п’ятикратно, а f-стан – семикратно.

На відміну від кулястої s-орбіталі p-, d- і f-орбіталі в просторі мають певний напрямок (рис. 10). За характером орієнтації в просторі р-орбіталі позначають р_x, p_y, p_z, які витягнуті відповідно вздовж осей xx¢, yy¢, zz¢,. Напрям d-орбіталей не тільки збігається з осями координат, а й лежить між ними: d-орбіталі, орієнтовані вздовж осей координат, позначають d_x2-y2 (витягнуті вздовж осей xx¢ та yy¢) і dz² (витягнуті вздовж осі zz¢); d-орбіталі, орієнтовані між осями координат, позначають dxy, dyz, dxz (розташовані по бісектрисах між осями); f-орбіталі мають складнішу форму.

Слід зазначити, що кожну орбіталь іноді зображують як енергетичну (квантову комірку у вигляді квадрата. Для s-електронів може бути лише одна орбіталь або одна енергетична комірка c; для р-електронів – три ccc ; для d-електронів – п’ять ccccc; для f-електронів – сім ccccccc. Число енергетичних комірок визначається магнітним квантовим числом.

Спінове квантове число s. На основі вивчення тонкої структури атомних спектрів установлено, що стан електронів у атомі залежить не тільки від обертання навколо ядра, яке визначається квантовими числами n, l, m_l, а й від їх власного руху – спіну. Спрощено спін ( від англ. spin – крутіння, обертання) можна уявити як рух електрона навколо своєї осі. Цей рух характеризується спіновим квантовим числом s, яке може мати тільки два значення +1/2 або –1/2. Спін зображують стрілочками: ­­ , ­¯. Спіни електронів, напрямлені в один бік, називаються паралельними, а в протилежні – антипаралельними.

Читайте також:

1. II. Множення круглих багатоцифрових чисел на розрядні числа.
2. Абсолютна величина дійсного числа
3. Абсолютна величина числа позначається символом .
4. Алгоритми арифметичних операцій над цілими невід’ємними числами у десятковій системі числення.
5. Арифметичні дії над дійсними невід’ємними числами. Їхні властивості
6. Арифметичні операції над цілими числами
7. Визначення арифметичних дій над додатними раціональними числами
8. Визначення добутку двох цілих невід’ємних чисел як числа елементів декартового добутку двох скінченних множин
9. Визначення йодного числа жиру методом Війса.
10. Визначення йодного числа жиру прискореним методом (методом Маргошеса).
11. Визначення йодного числа методом Гюбля.
12. Визначення йодного числа методом Кауфмана

Переглядів: 9606