Электронные орбитали в атоме

Химия в первую очередь интересуется состоянием электронов в атоме. Представления о ядре ограничиваются в основном сведениями о его заряде и массе, хотя для более подробного описания ядра атома также привлекаются положения квантовой теории. Четких границ ядра, как и четких границ атома не существует. Изучение рассеяния быстрых заряженных частиц показало, что для подавляющего большинства ядер можно принять его форму за сферу радиусом r=1,1*10^-13см.

(в 100 000 раз меньше радиуса атомов~10^-8см). Радиус 10^-13см равен расстоянию от центра ядра до точки, где плотность уменьшилась вдвое по сравнению с плотностью в центре.

Массы всех ядер считаются целочисленными, а заряды равными числу протонов, совпадающему с порядковым номером элемента. Кроме протонов, в ядре имеются нейтроны, связанные попарно с протонами в единую частицу (p+n)-нуклон. Положительно заряженное ядро создает довольно значительное электромагнитное поле, в котором и происходит движение электронов.

Однако когда электронов много, то заряд ядра экранируется от электронов, расположенных на дальних орбиталях, теми, что находятся ближе к ядру. Насколько эффективно действует такой экран, зависит как от числа внутренних электронов, так и от характера самой атомной орбитали, на которой находится электрон.

Для рассмотрения электронных состояний обычно используются концепции одноэлектронного приближения. Сделанное на основе изучения спектров атомов и молекул, его вполне достаточно для разъяснения большинства положений об электронной конфигурации атома. Под последним термином подразумевают распределение электронов по разным орбиталям. В основе одноэлектронного приближения лежат два допущения:

• 1. Электроны в многоэлектронном атоме следует размещать в системе орбиталей, формально таких же как и орбитали атома водорода. Иначе говоря, волновые функции, полученные решением волнового уравнения для атома водорода, при различных значениях квантовых чисел сохраняются и для других.
• 2. Допуская, что любой атом имеет набор орбиталей, соответствующий водородным, на самом деле предполагают, что отдельный электрон движется в усредненном сферически симметричном поле, создаваемом ядром и всеми другими электронами.

В итоге этих двух допущений принимают, что электроны «больших» атомов занимают атомные орбитали, аналогичные орбиталям водорода, но с оговоркой, что энергия этих орбиталей может отличаться и весьма значительно от энергий, соответствующих простейшему случаю. Данные, получаемые из атомных спектров, а также прямые измерения энергии ионизации, затраченной для удаления электрона с данной орбитали, показывают, что относительный порядок энергетических состояний меняется в зависимости от заряда ядра атома. Такой порядок можно изобразить в виде схемы энергетических уровней.