Строение ядра

Теперь рассмотрим правила, по которым орбитали заполняются электронами в атоме. Первый принцип : принцип наименьшей энергии . Он гласит, что заполнение орбиталей электронами происходит, начиная с самого низкого по энергии уровня, и далее с повышением энергии. Сначала будет заполняться первый уровень, он наиболее близкий к ядру, и поэтому здесь наибольшее взаимодействие между электроном и ядром. Почему первый уровень имеет самую низкую энергию? Мы считаем, что при $E = 0$ электрон не взаимодействует с ядром, при увеличении взаимодействия энергия уровня снижается, то есть значения энергии уровней являются отрицательными, поэтому чем ниже уровень по энергии, тем сильнее взаимодействие электрона с ядром. Таким образом, разница между уровнем и нулевым уровнем энергии — это и есть энергия взаимодействия электрона с ядром. Принцип наименьшей энергии понятен, и в курсе физики тоже есть такое, что каждая система стремится к минимуму энергии. Единственное дополнение, когда мы говорим про заполнение электронами, мы имеем в виду атомы, у которых самое низкое по энергии состояние, то есть невозбужденное состояние, оно называется основным. Если мы будем говорить про возбужденное состояние, то принцип наименьшие энергии может нарушаться, то есть электроны могут находиться на более высоких уровнях. Но тогда такая система может быть неустойчивой и будет превращаться в более стабильную, сбрасывая лишнюю энергию. Второй принцип : принцип Паули . Его часто называют запрет Паули, потому что он что-то запрещает. Запрет Паули или принцип Паули гласит, что в одном атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором квантовых чисел, всех четырех квантовых чисел. То есть, если у нас два электрона имеют одинаковые $n$, $l$ и $m_{l}$, то $m_{s}$ должно быть разное: для одного $+1/2$, для второго $-1/2$. Иными словами, если у нас первые три квантовые числа совпадают, то есть два электрона находятся на одной и той же орбитали, то тогда у них должно различаться спиновое квантовое число. Когда мы с вами записываем диаграммы в клеточках, клеточка – это орбиталь, а внутри – стрелочки вверх и вниз. Это означает, что два электрона должны иметь разнонаправленный спин, то есть разное спиновое квантовое число. Мы в одной клеточке не можем нарисовать две стрелочки вниз или две стрелочки вверх. Соответственно, из принципа Паули следует, что на одной орбитали максимальное количество электронов равно двум. Это означает, что третий электрон будет уже уходить на следующую орбиталь. Поэтому количество орбиталей, количество уровней увеличивается с ростом количества электронов в атоме. Третий принцип : правило Хунда . Его называют правилом, то есть если первые два не нарушаются, про принцип меньше энергии сказал, что только для возбужденного состояния может быть отклонение. Принцип Паули не нарушается. То два остальных правила могут нарушаться, поэтому существуют исключения. Правило Хунда (иногда называют Гунда) гласит, что если у нас есть орбитали с одинаковой энергией, это называется вырожденные орбитали, то тогда электроны распределяются по правилу максимального спина. Например, если на p-орбиталях находятся $3$ электрона, то тогда электроны будут распределяться по одному на каждой из р-орбиталей. Это вызвано тем, что электроны на одной орбитали отталкиваются. Поэтому для того, чтобы снять отталкивания, они распределяются по правилу Хунда. Правило Хунда может нарушаться для неизолированного атома, это может проявляться в соединениях. Например, в комплексных соединениях бывает, что распределение электронов оказывается против правила Хунда. Четвертое правило : правило Клечковского . (Иногда называют правила Клечковского). Это последовательность заполнения электронами орбиталей. Оказывается, что последовательное заполнение подчиняется увеличению суммы главного и побочного квантового числа. Если для двух орбиталей эта сумма оказывается одинаковая, то заполняется орбиталь с наименьшим $n$. Мы можем сделать это в виде небольшой таблички в две строки, в одной будет название орбитали, а в другой – сумма $n + l$. На первом уровне только s орбиталь $1$s значит $n + l = 1 + 0 = 1$. Дальше второй уровень $2$s: $n + l = 2 + 0 = 2$, потом будет заполняться $2$p: $n + l = 2 + 1 = 3$. Далее идет третий уровень $3$s: $n + l = 3 + 0 = 3$. Обратите внимание, что $2 + 1 = 3 + 0 = 3$, одинаковая сумма, но заполняется та орбиталь, у которой наименьшее $n$, $2$p сначала, потом $3$s. Пока у нас все идет по порядку. Дальше идет $3$p орбиталь, $n + l = 3 + 1 = 4$. Далее есть две орбитали: $4$s $n + l = 4 + 0$ и $3$d $n + l = 3 + 2 = 5$ и по правилу Клечковского сначала заполняется $4$s, а потом $3$d. Далее идет $4$p орбиталь, то есть $n + l = 4 + 1 = 5$, после $4$p у нас будет заполняться $5$s, та же самая ситуация как с $4$s и $3$d, потому что $n + l = 5 + 0$, а для $4$d $n + l = 4 + 2 = 6$. На четвертом уровне еще есть $4$f $n + l = 4 + 3 = 7$, то есть пока все орбитали с общей суммой $6$, $4$f заполняться не будет. После $4$d будет заполняться $5$p, $n + l = 5 + 1 = 6$...