Строение электронных оболочек. Объяснение периодической системы Д.И.Менделеева.

оболочек. Объяснение периодической системы Д.И.Менделеева.

построена периодическая система элементов, объяснение которой – одна из важнейших

задач атомной физики.

Сформулируем прежде всего те принципы, на которых основано это объяснение:
1). Состояние электрона в атоме полностью определяется четырьмя квантовыми числами:
главным квантовым числом n = 1, 2, 3, …;
орбитальным квантовым числом l = 0, 1, …, n-1;
магнитным квантовым числом m = 0, ±1, ±2, …, ±l;
магнитным спиновым
квантовым числом ms = +1/2, -1/2.

в состоянии, характеризуемом данными значениями четырех квантовых чисел; т.е. два

электрона в одном и том же атоме должны различаться значениями по крайней мере одного квантового числа.
3) Атом (как и любая система) устойчив тогда, когда находится в состоянии с наименьшей возможной энергией.

имеют названия :



Совокупность электронов, имеющих одинаковые n и l, образует

оболочку. Названия оболочек :

оболочке. Дейст-вительно, электроны в невозбужденном атоме стремятся перейти в состояние

с наименьшей энергией (в устойчивое состояние), которое со-ответствует минимальным значениям главного и орбитального чисел. Однако возможность та-кого перехода ограничена принципом Паули. Поэтому электроны в невозбужденном атоме находятся в таких состояниях, при которых энергия атома является наименьшей, но распределение по состояниям удовлетворяет принципу Паули.

атоме.
Т.к. число ms может иметь два значения, то в атоме

может быть два электрона с одинако-выми числами n, l, m.
При заданном l квантовое число m может иметь (2 l +1) значений, следовательно, на оболоч-ке может быть 2(2 l +1) электронов, т.е.

0, 1, 2, …, n -1. Поэтому мак-симальное число электронов

в слое можно вы-разить суммой арифметической прогрессии:

(16.1)

оболочка обозначается соответст-вующим n и буквой, обозначающей l, а индек-сом

справа вверху обозначается число элект-ронов. Например:
Водород 1s1
Гелий 1s2
Литий 1s22s1
Углерод 1s22s22p2
Кислород 1s22s22p4
Аргон 1s22s22p63s23p6

Каж-дый вновь присоединяемый электрон связыва-ется в состоянии с наименьшими возможными

квантовыми числами. Эти электроны постепен-но заполняют слой с одним и тем же главным квантовым число n. Когда построение слоя за-канчивается, получается устойчивая структура (инертный газ). Следующий электрон начинает заполнение уже нового слоя и т.д. Эта идеаль-ная схема соблюдается до 18 элемента табли-цы Менделеева (до аргона).
Начиная с 19-го элемента (калия) наблюдаются отступления от идеальной схемы. Причина этих отступлений заключается в том, что идеальная схема не учитывает взаимодействия электро-нов между собой.

3d-оболоч-ке. Однако химические и спектроскопические данные указывают на то, что

этот электрон на-ходится в 4s-оболочке. Детальный расчет с учетом взаимодействия электронов показыва-ет, что состояние 3d действительно отвечает большей энергии, чем 4s.

а нормальное за-
полнение 3d-оболочки начинается у скандия.
Аналогичное нарушение нормального порядка
наблюдаетс

у рубидия, цезия, франция.
Другое отступление от нормального порядка за-
полнения слоев имеет место у редких земель (Z =
58 - 71): идет заполнение 4f-оболочки после того,
как заполнены оболочки 5s, 5p и 6s.

не только объяснила, но и уточнила табли-
цу. До 1922г. элемент

Z=72 не был известен. Он
был предсказан Менделеевым, и ему было остав-
лено место в группе редких земель. Однако по те-
оретическим соображениям, группа редких земель
должна содержать 14 элементов (т.к. на 4f оболоч-
ке может находиться 14 элементов), т.е. должна
заканчиваться 71-м элементом, а элемент Z=72
должен быть аналогом циркония и титана. На это
впервые указал Н. Бор, и вскоре элемент 72 (гаф-
ний) был открыт в циркониевых рудах и по своим
химическим и оптическим свойствам оказался ана-
логом титана и циркония, а не элементов группы
редких земель.