десь лишь некоторую энергетическую зону, в пределах которой точное значение энергии электрона определяется величиной /. В результате возрастание энергии по энергетическим подуровням происходит примерно в следующем порядке (см. также рис. 22 на стр. 90):

ls<2s < 2р <3s < Зр < 4s<3d <4j0<5s<4d <5/> < 6s < 4/ ж

ж Ы < 6р < 7s < 5/ ж Ы < 1р

32. Принцип Паули. Электронная структура атомов и периодическая система элементов. Для определения состояния электрона в многоэлектронном атоме важное значение имеет сформулированное В. Паули положение (принцип Паули), согласно которому в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми. Из этого следует, что каждая атомная орбиталь, характеризующаяся определенными значениями п, I и т, может быть занята не более чем двумя электронами, спины которых имеют противоположные знаки. Два таких электрона, находящиеся на одной орбитали и обладающие противоположно направленными спинами, называются спаренными, в отличие от одиночного (т. е. н е с п а р е н н о г о) электрона, занимающего какую-либо орбиталь.

Пользуясь принципом Паули, подсчитаем, какое максимальное число электронов может находиться на различных энергетических уровнях и подуровнях в атоме.

При / = 0, т. е. на s-подуровне, магнитное квантовое число тоже равно нулю. Следовательно, на 5-подуровне имеется всего одна орбиталь, которую принято условно обозначать в виде клетки («квантовая ячейка»): ?. Как указывалось выше, на каждой атомной орбитали размещается не более двух электронов, спины которых противоположно направлены. Это можно символически

представить следующей схемой:

Итак, максимальное число электронов на s-подуровне каждого электронного слоя равно 2. При / ~ 1 (р-подуровень) возможны уже три различных значения магнитного квантового числа (—1,0, +1). Следовательно, на р-подуровне имеется три орбитали, каждая из которых может быть занята не более чем двумя электронами. Всего на р-подуровне может разместиться 6 электронов:

ни н

Подуровень d (1 — 2) состоит из пяти орбиталей, соответствующих пяти разным значениям т\ здесь максимальное число электронов равно 10:

н н

Наконец, на /-подуровне (/ — 3) может размещаться 14 электронов; вообще, максимальное число электронов на подуровне с орбитальным квантовым числом / равно 2(2/+ 0*

Первый энергетический уровень (/(-слой, п—\) содержит только 5-подуровень, второй энергетический уровень (L-слой, п = 2) состоит из 5- и р-подуровней и т. д. Учитывая это, составим таблицу максимального числа электронов, размещающихся в различных электронных слоях (табл. 2).

Как показывают приведенные в табл. 2 данные, максимальное число электронов на каждом энергетическом уровне равно 2/г2, где п — соответствующее значение главного квантового числа. Так, в /(-слое может находиться максимум 2 электрона (2-12 = 2), в L-слое — 8 электронов (2-22 —8), в AJ-слое—18 электронов (2*32 = 18) и т. д. Отметим, что полученные числа совпадают с числами элементов в периодах периодической системы.

Наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимальному возможному значению его энергии. Любое другое его состояние является возбужденным, неустойчивым: из него электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низкой энергией. Поэтому в иевозбуждеином атоме водорода (заряд ядра Z— 1) единственный электрон находится в самом низком из возможных энергетических состояний, т. е. на ls-подуровне. Электронную структуру атома водорода можно представить схемой

н 1

или записать так: Is1 (читается «один эс один»)'.

В атоме гелия (Z = 2) второй электрон также находится в со* стоянии 15. Его электронная структура (152 — читается «один эс два») изображается схемой:

Не 1

У этого элемента заканчивается заполнение ближайшего к ядру 7(-слоя и тем самым завершается построение первого периода системы элементов.

У следующего за гелием элемента — лития (Z — 3) третий электрон уже не может разместиться на орбитали Д'-слоя: это противоречило бы принципу Паули. Поэтому он занимает s-co-стояние второго энергетического уровня (L-слой, п —2). Его электронная структура записывается формулой ls^s1, что соответ* ствует схеме:

t

Число и взаимное расположение квантовых ячеек на последней схеме показывает, что: 1) электроны в атоме лития расположены на двух энергетических уровнях, причем первый из них состоит из одного подуровня (Is) и целиком заполнен; 2) второй — внешний — энергетический уровень соответствует более высокой энергии и состоит из двух подуровней (2s и 2р); 3) 25-подуровень включает одну орбиталь, на которой в атоме лития находится один электрон; 4) 2р-подуровень включает три энергетически равноценные орбитали, которым соответствует более высокая энергия, чем энергия, отвечающая 25-орбитали; в невозбужденном атоме лития 2р-орбитали остаются незанятыми.

В дальнейшем на электронных схемах мы для упрощения бу-

дем указывать только неполностью запятые энергетические уровни.

В соответствии с этим, строение электрон