ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Квантовые числа и уровни энергии из "Химическая связь и строение" Детальное изучение атомных спектров в течение первой четверти двадцатого века привело к выводу, что поведение электрона в атоме может быть полностью описано совокупностью из четырех квантовых чисел. Полное решение волнового уравнения для атома водорода привело к трем из этих квантовых чисел, совершенно идентичным соответствующим эмпирическим квантовым числам старой квантовой теории (за исключением некоторых деталей). Развитие теории показало необходимость введения четвертого квантового числа спинового квантового числа). Четыре квантовых числа определяют не только энергию электрона, но также и характер волновой функции, описывающей его орбиту — ее размер и форму. [c.32] Главное квантовое число я=1. 2, 3, 4,. . . [c.32] Это означает, что п может принимать любое целочисленное значение, I может либо равняться нулю, либо иметь любое целочисленное значение до п — 1) включительно, т может иметь любое целочисленное значение от —I до +/, включая О, и эти предельные значения, а s может иметь любое из двух значений -fVj или —Каждому возможному состоянию электрона в атоме соответствует определенный набор четырех квантовых чисел. [c.33] Энергия электрона зависит от значений пи/. [c.33] Для целей настоящей книги нет необходимости приводить математические выражения для энергии, нужно только знать, что энергия тем больше, чем выше значения n и /, и что разности между уровнями энергии, соответствующими последовательным значениям п и I, становятся по мере увеличения энергии все меньше и меньше. Хотя квантовое число п влияет на энергию сильнее, чем I, электрон с более высоким значением I может находиться в более высоком энергетическом состоянии, чем электрон с большим п, но меньшим I. Это указано на рис. 16, на котором уровни энергии приведены не в масштабе. Скопление уровней при больших значениях п гораздо сильнее, чем это показано на диаграмме, вплоть до того, что последовательные уровни начинают совпадать. Это соответствует такому положению, когда электрон фактически уже оторван от атома. Расстояние между такими совпадающими уровнями и данным уровнем отвечает энергии, требуемой для удаления из атома электрона, находившегося первоначально на данном уровне. Если это низший возможный уровень наиболее легко удаляемого электрона, то энергия называется энергией (потенциалом) ионизации (см. рис. 7). [c.33] Главное и побочное квантовые числа определяют не только энергию электрона, но также соответственно объем и форму области пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона. Чем больше п, тем дальше от ядра существует значительная вероятность нахождения электрона. Это не точное утверждение, но его смысл вскоре станет ясным. Как и в отношении энергии различия в размерах для последовательных значений п уменьшаются по мере возрастания п. Вопрос о форме требует специального рассмотрения. [c.34] Сферические полярные и декартовы координаты. [c.35] больше, чем орбита Ь-электрона. Эти же соображения применимы и к радиусу всего атома. [c.37] Радиальные части волновых функций электронов с другими значениями I сходны с радиальными частями для 5-электронов, но при I О угловые части уже не являются постоянными. Вследствие этого распределение заряда для таких электронов не обладает сферической симметрией. Невозможно изобразить графически функцию от трех переменных для этого нужны четыре измерения. [c.37] ОТ их направления. Высота этого максимума изменяется в зависимости от направления (так же как значение 0 Ф ) она наибольшая (рис. 13, кривая /), когда г измеряется вдоль оси X, и постепенно становится меньше, по мере того как радиус-вектор образует все большие углы с осью X (кривые 2, 3, 4). Другим способом изображения зависимости электронной плотности от расстояния и направления является изображение концентрических сфер, на каждую из которых наносятся линии равной электронной плотности. Одна из таких сфер приведена на рис. 14,а. [c.40] Изменение электронной плотности р-электрона на поверхности сферы. [c.40] Еще одним способом (рис. 14,6) может служить штриховка поверхности каждой сферы в зависимости от электронной плотности, если помнить, что степень затемнения повсюду на сфере изменяется при изменении размеров сферы, за исключением экватора, где функция вероятности всегда равна нулю. [c.40] Поверхность на рис. 12 дает, однако, правильное представление в том отношении, что р -электрон проводит большую часть времени вблизи оси х и совсем не бывает в плоскости уг (узловая плоскость), но она соверщенно не отражает постепенного убывания электронной плотности по мере увеличения расстояния от ядра. Более правильное впечатление создает изображение в виде двойной сигары, данное на рис. 15. [c.40] Спиновое квантовое число не определяет ни формы, ни размера, ни ориентации, ни энергии (при обычных условиях) орбиты электрона. Все электроны ведут себя так, как будто они имеют определенное значение углового момента, обусловленного вращением вокруг их собственной оси. Вектор, описывающий такой спин, может быть ориентирован только в двух возможных направлениях по отношению к фиксированной оси в атоме или молекуле, и каждому из этих направлений соответствует квантовое число или — /,. Этот вопрос будет обсужден в дальнейшем на стр. 48—52 (см. также рис. 18), но важность спинового квантового числа станет ясной из следующего параграфа. [c.41] Вернуться к основной статье