1.2 : Электронная структура атомов

Атом состоит из протонов и нейтронов, которые содержатся внутри плотного образования в центре, называемого ядром, а электроны расположены вокруг ядра. Принимая во внимание корпускулярно-волновой дуализм электронов и неопределенность их положения вокруг ядра, квантовая механика обеспечивает более точную модель атомной структуры. Она описывает атомные орбитали как области вокруг ядра, где существуют электроны дискретной энергии, характеризующиеся четырьмя квантовыми числами: n, l, m_l, и m_s.

Квантово-механическая модель

Атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Ядро содержит протоны и нейтроны. Протоны имеют заряд +1 и массу 1,0073 а.е.м. Нейтроны имеют нулевой заряд и массу 1,0087 а.е.м. Электроны имеют заряд −1 и массу 0,00055 а.е.м. Число протонов в ядре называется атомным номером (Z) и определяет принадлежность атома определённому элементу. Сумма чисел протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом и, выраженная в а.е.м., приблизительно равна массе атома. Атом нейтрален, если он содержит равное количество электронов и протонов.

Были предложены различные модели для описания атомной структуры, объясняющие распределение электронов вокруг ядра. Соотношение де Бройля количественно показало, что электроны обладают свойствами как частицы, так и волны. Давая количественную оценку этому корпускулярно-волновому дуализму, Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности: положение (связанное с природой частицы) и скорость или энергия (связанная с волновой природой) электрона не могут быть одновременно точно определены. Квантово-механическая модель дает более точное представление об атомной структуре. Она описывает трехмерное положение электрона с определенной энергией, содержащегося в атоме, в терминах вероятности, через квадрат волновой функции ψ^2. Атомные волновые функции, или атомные орбитали, описывают области атома, где с наибольшей вероятностью могут находиться электроны.

Атомная орбиталь характеризуется тремя квантовыми числами. Главное квантовое число n группирует орбитали по расположению энергетического уровня или «оболочки». Угловой момент или азимутальное квантовое число l группирует орбитали в зависимости от их формы в «подоболочки». Он имеет целые значения от 0 до n – 1 и обозначается буквами: s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2), f (l = 3), g (l = 4), и h (l = 5). Магнитное квантовое число ml с 2l + 1 значениями в диапазоне от –l до +l описывает ориентацию орбитали в пространстве. Кроме того, каждый электрон имеет спиновое квантовое число ms, которое может быть равно ±1/2. Никакие два электрона в одном и том же атоме не могут иметь одинаковый набор значений всех четырех квантовых чисел.