Майкл Файер - Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир

Для заданного главного квантового числа n энергия упорядочена следующим образом: ns < np < nd < nf . Для одного и того же типа орбитали чем больше n , тем выше энергия. Важная особенность многоэлектронных атомов состоит в том, что энергия зависит от двух квантовых чисел: n и l . Квантовое число l называют орбитальным, поскольку оно определяет форму орбитали.

На рис. 11.1 приведена диаграмма энергетических уровней для многоэлектронных атомов. При n =1 существует единственный тип орбитали: l =0 — это s -орбиталь, так что 1 s -орбиталь имеет самый низкий уровень энергии. Для n =2 значение l может быть равно 0 или 1. Эти значения l порождают 2 s -орбиталь и три различные 2 p -орбитали. При l =1 существуют три возможных значения m : m = 1, 0, −1. Тут всё так же, как и у водорода. Важное отличие состоит в том, что у многоэлектронных атомов 2 s -орбиталь имеет более низкую энергию, чем 2 p -орбитали (см. рис. 11.1). При n =3 существуют 3 s -орбиталь, 3 p -орбитали и 3 d -орбитали. Как видно из рис. 11.1, 3 s -орбитали лежат ниже (по энергии), чем 3 p -орбитали, которые, в свою очередь, лежат ниже 3 d -орбиталей.

Очень важная особенность этого упорядочения энергетических уровней состоит в том, что энергетические уровни с разными значениями квантового числа n перемежаются. Хотя 3 d -орбитали лежат выше 3 p -орбиталей, энергия 4 s -орбитали всё же ниже, чем 3 d -орбитали (см. рис. 11.1). Порядок орбиталей также показан на рис. 11.1, где видно, что энергетические уровни следуют в порядке: 1 s , 2 s , 2 p , 3 s , 3 p , 4 s , 3 d , 4 p , 5 s , 4 d и т. д. Как объясняется далее, перестановка уровней 4 s и 3 d приводит к появлению первого ряда переходных металлов, а перестановка 5 s и 4 d порождает второй ряд переходных металлов {16} 16 Первый ряд переходных металлов располагается в четвёртом периоде Периодической системы элементов и охватывает элементы от скандия (Sc) до цинка (Zn). Второй ряд переходных металлов располагается в пятом периоде и охватывает элементы от иттрия (Y) до кадмия (Cd). Подробнее они описываются ниже. — Примеч. пер. . Этот порядок очень важен при определении свойств различных атомов. Перестановки в этом порядке и смысл рядов переходных металлов прояснятся после обсуждения Периодической таблицы элементов. Однако сначала надо разобраться, как электроны заполняют энергетические уровни, изображённые на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Диаграмма энергетических уровней для атомов с множеством электронов. Для интервалов между уровнями масштаб не соблюдается. Энергия зависит от главного квантового числа nи орбитального квантового числа l, и в этом заключается отличие от атома водорода (см. рис. 10.1), где энергия зависит только от n. Для n = 4 существует одна s-орбиталь ( l = 0), три различные p-орбитали ( l = 1), пять различных d-орбиталей ( l = 2) и семь различных f-орбиталей ( l = 3)

Атом водорода имеет ядро с зарядом +1 и единственный отрицательно заряженный электрон. Атом гелия имеет ядро с зарядом +2 и два отрицательно заряженных электрона. Далее идёт литий (Li) с зарядом ядра +3 (атомный номер 3) и тремя отрицательными электронами, за которым следует бериллий (Be) с ядром +4 и четырьмя отрицательными электронами и т. д. Вопрос состоит в следующем: если есть атом с определённым числом электронов вроде бериллия, у которого их четыре, то на каких энергетических уровнях будут располагаться эти электроны? У водорода самое низкое энергетическое состояние — то, в котором единственный электрон находится на 1 s -орбитали. Если возбудить 1 s -электрон водорода до, скажем, состояния 2 p (добавив ему энергии за счёт поглощения света или с помощью электрической дуги), он свалится обратно в низшее энергетическое состояние и, согласно закону сохранения энергии, испустит фотон. Такая эмиссия фотонов с различных энергетических уровней атома водорода порождает линейчатый спектр, обсуждавшийся в главах 9 и 10. Однако неясно, что делать, когда электронов больше одного. Должны ли все четыре электрона бериллия переходить на 1 s -орбиталь? Оказывается, это невозможно.